浅谈“免震建筑”

来源:用户上传      作者: 孙中秋 张玉波

　　摘 要:进入21世纪,人们对建筑的抗震要求越来越高。本文通过介绍免震建筑的组成和防震机理,并就目前我国免震建筑的发展状况,浅述了免震建筑的发展前景。
　　关键词:免震建筑;积层橡胶;阻尼器;抗震
　　
　　前言
　　
　　近年世界各地频发大震,传统的材料抗震和结构抗震最多只能保证建筑物不倒塌,但建筑物的结构已损坏,不能继续使用,造成的损失仍然很大,即使给建筑物加固后可以继续使用,其加固的费用有时甚至比新修建筑更昂贵。免震建筑能够保证建筑物在地震时其受力结构保持完整,并且建筑物内的物体也能够保持相对稳定。免震建筑通过其免震层吸收地震的大部分能量,降低了建筑物振动频率以及其顶部和底部的相对位移,有效地减弱了建筑结构吸收的地震能量。建筑免震技术是近些年才兴起的,在我国发展尚不成熟,只有在地震多发的发达国家发展较快。本文将浅述免震建筑的抗震机理及其在建筑物抗震中发挥的作用。
　　
　　1 免震建筑法的定义及其简介
　　
　　免震建筑法就是使地震产生的力不直接作用于建筑物,以避免建筑物的破坏。免震建筑法包括基础免震、中间层免震及为保护重要建筑物而进行的免震改造,基础免震是指将建筑物的基础与一层楼板以上的结构部分断开,目前,此类免震法在免震建筑中的应用最为广泛,中间层免震是把免震层设置在建筑结构的中间层。
　　
　　2 免震建筑中免震层的组成及防震机理
　　
　　地震主要攻击与地基连接的刚度较大的部位,为了避免出现这种情况,我们将建筑物上部结构和基础断开,在其间插入积层橡胶和阻尼器,就构成了免震层。免震层既要求能够传递上部结构垂直荷载,又要有足够的水平柔韧性来减弱上部结构受到的地震力,还必有具有消震的作用以起到降低振动幅度和减少振动时间的作用,积层橡胶和阻尼器能够满足这些要求。
　　2.1 积层橡胶的组成及性能
　　积层橡胶应具有很大的水平柔韧性,其水平变形能力与建筑物层间变形总和相当,可大大降低上部结构的振动频率,从而减小地震波对上部结构的水平地震力,同时,为了传递上部结构荷载,积层橡胶还必须具有很大的垂直刚度,基于此要求,积层橡胶于1970年在法国首先诞生,它是由橡胶和夹层钢板分层叠合经高温硫化黏结而成的。
　　当受压时,钢板制约橡胶横向变形,积层橡胶就获得很大的竖向刚度,因而其竖向弹性模量远远大于橡胶本身的弹性模量。当受到水平作用时,钢板不能约束橡胶水平方向的剪切变形,这就保留了橡胶固有的柔韧性,其水平刚度很小。
　　2.2 阻尼器的作用及减震机理
　　阻尼器能够吸收传给建筑物的地震能量,抑制建筑物的振幅。天然橡胶类的积层橡胶就好比弹簧,如果单纯使用弹簧的话,建筑物摇摆震动的幅度会非常大,衰减度也很小,摇摆震动会持续很长时间,如果在免震层中加入阻尼器,则可以有效的减少摇摆的幅度和振动时间。
　　目前开发出来的阻尼器种类很多,包括黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器、金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器以及智能阻尼器等。
　　黏滞阻尼器靠液体的粘性吸收地震能量,黏弹性阻尼器靠约束钢板与黏弹性材料的剪切力提供阻尼力,金属屈服阻尼器靠金属的弯曲和剪切来吸收地震能量,摩擦阻尼器靠金属之间的摩擦力提供阻尼力,以上这些阻尼器都是被动阻尼器,由于地震的随机性大,这些阻尼器可能在大震时减震效果好,在中震和小震时效果不佳。智能阻尼器是一种主动阻尼器,它能够随外部激励自动调节自身的阻尼力等参数,目前常用的智能阻尼器有磁流变阻尼器和可控摩擦阻尼器。
　　
　　3 从实例中透析免震建筑的减震效果
　　
　　1995年1月17日,日本阪神发生7.2级地震,距震源35千米有两栋3层建筑,一栋是高阻尼叠层橡胶支座,一栋是钢结构抗震建筑,下表是两栋建筑物在地震时的最大加速度对比:
　　从上表中可以看出,免震建筑在各个水平方向受到的地震加速度都远小于传统抗震结构的加速度,但竖向加速度并未减小,这是因为叠层橡胶竖向刚度和建筑物柱子的刚度相当,它不能减小竖向的振动。
　　
　　4 免震建筑的发展现状和经济分析
　　
　　地震作用时,免震建筑将处于动态,由于建筑结构的重量大,若免震层没有很好的回弹性和抗剪切性能,建筑物由于惯性力将很可能发生剪切破坏,另外,免震层的刚度还不能达到高层建筑竖向刚度的要求,如今世界上最高的免震建筑在日本,这栋楼共仅14层,高约80米。以上这些免震技术问题在我国还未得到很好的解决,有待科学家研究,修建的免震建筑也还处于试验阶段,不能够大批投入建设。
　　免震层需要专门的单位进行设计,由于技术含量相对较高,较之普通抗震建筑,费用将有所增加。设置基础免震层将使土方开挖量增加,积层橡胶和阻尼器也较钢筋混凝土价格昂贵,这些都将增加免震建筑的建设费用。但由于设置了免震层,建筑物上部结构地震作用力减小,它的用钢量必然减少,还可放宽对砌体结构的层数和高度的限制,降低上部结构要求(如框架剪力墙改为框架墙)。总的来说,在达到免震效果的前提下,抗震设防要求越高,建筑层数越多,修建免震建筑的经济性就越突出。
　　
　　5 结语
　　
　　免震建筑是近几十年才开始发展的新型建筑,由于其优良的抗震性能,再加上人们对建筑物抗震要求的提高,免震建筑正逐渐走进人们的生活。由上面的经济分析可以看出,免震建筑的修建费用并不比普通抗震建筑高出许多,甚至有可能使之降低,世界各地频发大震也使得民众乐意购买免震建筑,在技术允许的前提下,开发商就愿意修建免震建筑。1976年的728唐山大地震和2008年的512汶川地震,我国伤亡惨重,这也催促着免震建筑的广泛修建。
　　
　　参考文献
　　[1]日本免震构造协会.免震建筑[M].王晶,译.北京:中国电力出版社,2009.
　　[2]张敏.建筑结构抗震分析与减震控制[M].成都:西南交通大学出版社,2007,12.
　　[3]崔京浩,等.基础隔振结构设计及施工指南[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

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