建筑结构论文

课程名称：建筑结构概论任课教师：黄俐建筑结构中隔震减震加固技术的应用—在5.12特大地震后的应用姓名王嘉荣学号201330843021班级13级房产4班专业土管系房地产专业论文提交时间：2016年7月1日摘要随着近些年来地震灾害的多发，造成了巨大的人民生命财产损失人们对于建筑结构设计中的抗震的设计，隔震减震措施越来越重视。本文就结合当前的地震灾害的情况，论述建筑结构设计中的隔震减震措施，以及灾后减震加固技术的应用。关键词隔震消能减震5.12特大地震1.引言在过去近十年里，四川汶川地震、青海玉树地震以及世界各地接连不断的地震都给社会造成了巨大的损失，为此在建筑结构中是否充分考虑抗震问题，是否合理运用了相关的减震隔震加固技术对灾后房屋加固也成为事关人民生命财产安全和国家安全的重要问题。建筑结构中的抗震设计尤为重要。隔震和消能减震是建筑结构减轻地震受损的有效技术。又为了适应我国经济发展的需要，有条件的在隔震和消能减震加固技术方面加大投入力度，尽快得到一个能有效降低地震损失的抗震体系，保障人民人身和财产安全。本文以5.12地震作为一个切入点，以5.12特大地震后国家采取的消能减震加固技术作为实例，来探讨消能减震加固技术在未来建筑结构中隔震减震设计的运用。2.消能减震体系和隔震体系概述一般建筑减震是通过巧妙应用建筑的阻尼与地震能量之间的关系来实施的。建筑的阻尼的增加能够对地震能量起到较大的消耗作用，减震措施止是通过增加建筑的阻尼来实现消耗地震能量的目的，使建筑的主体结构受到地震的破坏得到避免和减轻。关于对消能部件个数的设置、具体位置设置等布置问题，一般需要经过仔细分析和计算。通常在结构的两个主轴方向设置消能构件，能够达到附加两个方向的阻尼及刚度的目的。少数情况在结构变形较大的位置设置消能结构，使整个建筑的阻尼得到均衡，使地震能量被分散，从而提高整个建筑物抗震性能，达到保证建筑物安全的目的。2.1.消能减震体系消能减震设计指在房屋结构中设置特别的机构或效能元件，通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量，以确保主体结构的安全，进而使主体结构构件在罕见地震中不发生严重破坏。消能减震的目的是提高结构的抗震能力，使建筑在大震下破坏较轻，震后能很快恢复正常使用，遭遇强震时建筑不倒塌。从能量守恒的角度，消能减震的基本原理可以阐述如下，及结构在地震中任意时刻的能量方程：[1]消能减震方程：EaEsEdErEin式中：Ein—地震过程中输入结构体系的地震能量；Er—结构体系地震反应的能量，即结构体系震动的动能和势能；Ed—结构体系自身阻尼消耗的能量（一般不超过5%）；Es—主体结构或承重构件的非弹性变形（或损坏）所消耗的能量；Ea—消能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。消能减震结构中附加的消能减震原件或装置一般统称为消能器。根据消能器耗能机理的不同，可分为位移相关型消能器、速度相关型消能器和其他消能器；位移相关型消能器通常用塑性变形性能好的材料制成，在地震往复作用下通过其良好的塑性滞回消能能力来耗散地震能量，消能器耗散的地震能量与消能器变形量相关；速度相关型消能器通常由粘滞或粘弹性材料制成，在地震往复作用下利用粘滞和粘弹性材料的特性来耗散地震能量，消能器耗散的地震能量与消能器变形的速度相关。以下为图1常见消能器类型：[2]图1常见消能器类型隔震体系隔震体系可分为基础隔震体系和层间隔震体系。基础隔震体系是指在基础与上部结构之间设置隔震支座以延长结构的自振周期、减小结构地震响应形成的结构体系，它包括三部分：上部结构、隔震支座、基础。以下为常见的隔震支座：图2隔震支座主要类型建筑物的结构周期和阻尼比与地震作用有紧密影响。对于普通中低层建筑物刚度大，周期短，其结构周期正处于地震输入能力最大频段上，相应的地震加速度比地面运动要放大得多，但是如果增大建筑结构的周期，并加大结构的阻尼比，建筑结构上的地震加速度反应将会大大减弱，位移反应也会明显降低，起到很好的隔震效果。虽然基础隔震可以有效减小地震作用，但其使用也受到一定的限制：首先，因为隔震层会产生很大水平位移，所以结构与地面之间需预留很宽的缝以避免结构与地面的碰撞；其次，隔震层设置于基础之上，在一些近海工程中，基础部分受海水冲刷影响严重，隔震支座易老化或失效，需要时常检查和维护；另外，在一些旧房改造或加层工程中，基础隔震无法应用。所谓层间隔震体系即将隔震层位置上移，不再局限于基础位置，而是隔震层位于楼层与楼层之间，经国内外实际工程证明，层间隔震体系可有效地延长结构周期，减小上部结构地震响应。3.建筑结构中消能减震主要措施3.1.新建建筑物的消能减震设置加入消能减震措施可用在新建结构的减震，对建筑物的基础部分采用特殊处理，借助消能减震设置或元件来削弱地震对建筑物的作用，保护建筑物主体结构，保护人们的生命和财产安全。在对建筑物进行建筑隔震设计时，把消能减震设置考虑到建筑物安全设置中。我们在建筑物没有动工以前必须按照隔震设计的措施完成相应的工作，最迟也需要在建筑物施工过程中，在建筑物的关键部位设置特殊的减震装置。在进行消能减震设计过程中，需要根据建筑物的重要性标准、设防烈度、场地条件等因素，结合罕见地震作用下预期结构位移控制要求，确定结构的减震要求，确定结构构件的断面尺寸。根据对相关因素的总结分析，选择消能器及类型，确定消能器的数量和分布，采用合适的分析方法（基于性能的抗震设计流程图）来进行消能减震抗震设计。图3基于性能的抗震设计流程图3.2.建筑物建成后消能减震装置补充在建筑物建成后，需要采用增加阻尼的办法，在建筑物的结构上重新添加消能减震装置。从使用的部分来说也是很广泛的，它不仅可以应用于建筑物的上部结构，也可用于建筑物的隔震夹层。消能器在结构中布置中通常是沿结构各层布置最优，其次是进行隔层布置，然后是结构底部多层布置，最后是中部多层布置，减震效果相对最不好的结构上部多层设置消能器，建筑上层的消能器无法真正实现吸收地震能量的作用，消减器还在一定程度上增加了建筑的负重。消能器与主体结构进行的可靠连接，是保证消能器充分发挥作用的前提。所以在建筑建成后，要增加建筑的消能减震效果，可直接将消能器加固在建筑物中。采用消能减震技术进行抗震加固时，消能器及其支撑构件和连接件可预先制作，现场安装，不仅施工方便，施工时间短，而且不改变原建筑的面貌，可以很好地应用在首脑机关，救灾中心，防止贵重设备或特殊文物的房屋（纪念性建筑、特种亿元、通讯、消防、动力等重要建筑）。4.建筑结构中隔震主要措施4.1.基础隔震措施基础隔震是在基础与上部结构之间设置隔震装置，减小地震动往上部结构传递，降低上部结构的地震反应。该种隔震方法适用于体形规则的低层或多层建筑结构，用于高层建筑结构的效果较差（隔震结构延长了结构的自振周期）基础隔震包括粘弹性隔震、滚轴（珠）滑移隔震、摩擦摆隔震、摩擦滑移隔震等多种形式，隔震装置有夹层橡胶垫隔震装置基底滑移隔震装置、混合隔震装置等等[3]。基础隔震技术已经比较成熟，应用也相对广泛，对自震周期较短的房屋抗震效果明显，但自震周期较长的房屋对上部结构和隔震支座的要求较高，因为较长的周期性水平振动存在共振的危险。在上述提到的隔震装置中，橡胶支座的性能指标需要提高，从而充分发挥橡胶支座的水平和竖向抗震能力，并开发科学智能隔震系统，对地震有自我对抗能力。可以考虑在主体结构的中间层和结构顶层加装隔震装置，同时起到加层和抗震加固作用。4.2.层间隔震措施层间隔震的初衷是在原结构上安装耗能减震装置，该装置由质量和隔震支座组成，地震来临时，装置隔震和质量减震共同协作用于吸收地震能量，消弱地震损害，使地震对建筑结构的影响降低。实际上，抗震技术结合隔震技术即为层间隔震。但是层间隔震的减震效果比基础隔震技术的减震效果差，低20%左右。所以这种方法主要适用于旧房改建，在施工方面具有简单、易操作的特点。与建筑物基础部分设置隔震装置的办法相比，层间隔震的效果不是非常明显，减震的效果可以达到1/10-3/10的范围。虽然层间隔震的效果比不上基础隔震，但它灵活运用结构的加层或原结构的隔热层，做适当的改建而达到减震的目的，简单易行，隔震装置采用橡胶支座[3]。在上海，已有四幢邮电通讯房应用了层间隔震的方法进行抗震加固，另有十几幢住宅正在应用这一技术增层，建造商采用橡胶支座作为层间隔离的常用支座，有些利用隔热层减震，并将隔热层作为结构抗震的第二道防线，这样建造商可以在增加少量投资的同时，很大程度上提高了结构的抗震能力。4.3.悬挂隔震措施悬挂隔震是将结构的全部或大部分质量悬挂起来，使地面运动传递不到主体质量，产生不了惯性力，从而起到隔震作用。当地震来临时，地震的能量不会传递给悬挂起来的结构，从而达到减小地震损害的目的这种隔震方式最常见于大型钢结构，大型钢结构总是采用钢结构悬挂体系，以此隔震[5]。此体系可以有数地隔离主框架和子结构，减少地震作用的传递，控制结构的地震反应地震的能量到达这个部位的时候就会削弱，不至于传递到子结构产生惯性力。由于悬挂结构悬杆受力大，需要采用高强钢作为悬杆结构的材料。但是高强钢韧性较差，在竖向地震作用下易拉断，为减少竖向地震作用，可在吊点设置减震弹簧，并配合使用阻尼器形成一套完善的隔震系统。这种隔震方式主要见于桥梁，房屋建筑，火电厂锅炉架等一些特殊建筑的隔震应用当中，例如著名的43层香港汇丰银行新大楼便是采用了悬挂结构。4.4.选择特殊隔震地基材料对于不同的建筑物所采用的地基材料不同，这也是地震波的反应区别的原因之一。采用特殊材料对建筑物地基进行特殊处理，以此来削弱地震波的能量，从而弱化建筑物在地震中的震感。在传统的建筑物中，通常采用粘土和砂子进行基础部分垫层，然后也有人使用糯米垫层研究抗震，长期的发明研究与试验表明采用以沥青为原料的新型材料进行隔震层设置具有优良的隔震效果。国内有学者研究采用纤维增强工程塑料板和橡胶按一定处理方法得到新型的隔震地基材料[4]，地基填充材料通过结构加强后能承受较大的地震力作用，但由于其是基于“硬抗”的抗震机制，最终仍会在大地震作用下发生严重破坏。不过由于该结构模型的使用使得上部结构在不同强度地震下始终处于弹性状态，即使在罕遇地震中也能达到“不坏”的结构性能水平。基于这种新型简易隔震支座提出了适合低矮村镇建筑的隔震链接构造措施，并应用于该工程。通过将各镇曾整体抬高至室外地平面上，直接简化了各震层的施工构造，农村普通施工队也可以施工，从而改善了村镇房屋阴暗潮湿的环境，避免了虫鼠聚集于隔震沟中。5.消能减震加固技术和隔震技术的应用实例5.1.5.12四川“汶川”大地震后首个消能减震加固工程（采用粘滞阻尼器）都江堰市北街小学试验外国语学校艺术大楼，为现浇钢筋混凝土框架结构，框架层数为5层，总高度18m。按照7度抗震设防，但在5.12特大地震中，原结构仍遭到了严重破坏。1层柱柱顶受损，1、2层墙体出现裂缝，局部墙体出现破碎，部分楼体构件受损。震后经过结构抗震验算，发现原结构多数梁柱不满足抗震要求，若要进行灾后修补，需要加大柱子界面，减少建筑的使用面积。最后通过伦镇，提出了采用消能减震加固技术对原结构进行抗震加固的方案。首先加固受损柱顶，对节点区域混凝土凿面，剔除损坏部位破损的混凝土，并用吹风机吹净混凝土表面粉尘，然后采用比原结构混凝土强度等级高一级的C35混凝土修补料对混凝土破坏的节点进行修补找平，再对节点采用外包钢法对节点做加固处理（图4、图5）。最后，用锚栓将钢板固定在柱子上。[6]图4节点包钢注胶加固图5节点加固施工该加固工程使用的消能装置是采用了上海材料研究所研制开发的粘滞阻尼器（图6）。这种粘滞性阻尼器是消能减震控制技术中的一种消能装置，主要被安装于结构某部位（如节点、连接缝或连接件、楼层空间等）。在小震作用下，阻尼器处于弹性状态，给结构提供刚度，结构体系具有足够的抗侧刚度。图6粘滞阻尼器构造示意图这5层楼加固工程共用了20个粘滞阻尼器，并根据消能器的布置原则和振型分解反应谱法计算的楼层位移角确定消能器的布置地点。该学校使用粘滞阻尼器来消能减震加固震后受损房屋