减隔震技术让生活更加安全 | 地震科技“震”样看

2024-04-19  来自: 四川省地震局 浏览次数:103

我国的地震灾害:唐山大地震、汶川地震、青海玉树地震、云南鲁甸地震,每一次强震都给我们留下了惨痛的记忆与深刻的教训。

随着社会发展及科学技术的进步,人类对地震灾害的预见和预防工作更加重视,如何“从注重灾后救助向灾前预防转变”、“从减小灾害损失到减轻灾害风险转变”也更加迫切。如何提升建筑工程结构抗震能力,已成为摆在我国工程技术人员面前的迫在眉睫的重要任务。

现阶段,我国建筑工程主要采用了三种抗震方法,通俗来讲,一种是通过加粗柱子、多加钢筋的传统方法,提高建筑结构的强度来“抗震”;另一种是将建筑物某些非承重部分设计成效能杆件或通过装设效能装置来进行“减震”;第三种是通过在地基与柱子之间加钢板橡胶垫的方法来进行“隔震”。

抗震方法,也就是传统的、依靠增加结构的强度和延性变形能力来抵抗地震的结构抗震设计方法,增加了建造费用和施工难度,并且在高烈度的地震实例中,抗震设计的概念难以满足结构的抗震需求。

自20 世纪70 年代以来, 减隔震技术在世界范围内引起了广泛关注。从汶川地震以来,我国采用减隔震技术的建筑也在不断增多。2014年,住建部印发了《关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见( 暂行) 》( 建质〔2014〕25 号) 的文件后,减隔震技术得到越来越广泛的关注与应用,建筑结构设计也逐渐从传统的“抗震”设计向“减震”“隔震”设计方向发展。

减隔震技术及相关产品可有效提升建筑抗震性能,让房屋建筑水平“跑”在灾难发生之前,从而让减轻地震灾害的破坏性成为可能。

减隔震技术的原理

减隔震技术所持有的核心思想就是,想尽办法让建筑物主体结构在发生地震时,能与可能造成结构破坏的地面震动隔离开来。为实现这一目标,采取的方法为延长结构周期,在相关范围内,规避开地震周期,使地震能量尽可能少地传输到建筑主体结构中,以此减少地震造成的损失。

减震是利用结构耗能减震技术,通过在结构物中设置耗能装置,在主体结构进入非弹性状态前进入耗能状态,通过一系列的变形摩擦使得输入结构体系的总能量得以耗散减少,主体结构承受地震能量越小,其因地震导致的破坏就越小,从而有效地保护了主体结构的完整性,达到抗震的目的。主要措施包括采用高延性构件、提高结构阻尼、设置节点耗能装置等。

隔震是在建筑物上部结构与基础之间加一层橡胶和钢板隔层叠加的隔震支座柔软层,通过延长结构自振周期,避开地面振动共振区,从而隔离地震,阻止地震能量向上传递。工程中常用的隔震方式有两种,一是“积极隔震”,用隔震器将震源与基础隔离开来,减小传递给基础的力;二是“消极隔震”,即阻止震动的输入,常用的方式是设置隔震层。

减隔震技术

隔震示意图

中国工程院院士周福霖曾将隔震生动的比作水托着海上行驶的船。地震时船体与震动的海面之间隔着柔软的水层,船体只会慢慢摇摆,加在船体的地震冲击力被卸去。

建筑结构减隔震技术的应用意义

建筑物容易遭受地震损害的原因,是因为地震能量来自于地面,地面剧烈振动的时候,会同时引发建筑物的剧烈抖动,破坏也随之出现。应用减隔震技术,能将地震速度反应降低,在很大程度上减少地震对建筑物、对室内设施、对人员的损害与威胁,保障人们的生命财产安全。

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非隔震结构与隔震结构的变形对比图

从非隔震结构与隔震结构的变形对比图,我们可以看出,左边没有应用减隔震技术的建筑结构,在发生地震后,地震作用力被直接传送到了建筑本体结构上,建筑发生严重变形。而应用了减隔震技术的建筑结构,在遇到地震的时候,其结构变形程度十分小,地震的作用力大部分被隔震装置消耗了。

从统计数据来看,应用了减隔震技术的建筑与未应用减隔震技术的建筑在抗震能力方面具有明显差异。应用了减隔震技术的建筑在遇到地震时,只会发生轻微的倾斜,建筑物内部的设施、器具等物品都不会遭受太大损伤,而未应用减隔震技术的建筑在遇到地震时,会造成严重的破坏,建筑物内部也不能幸免。

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芦山县人民医院采用隔震措施的楼体在芦山地震中几乎没有破坏

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芦山县人民医院未采用隔震措施的楼体在芦山地震中破坏严重

芦山县人民医院门诊楼采用了橡胶隔震垫、阻尼器等减隔震技术,经历芦山地震后,大楼的窗户玻璃和楼顶招牌仍完好无损。

减隔震系统典型装置

1.金属阻尼器

金属阻尼器由金属阻尼元件、连接板等组成,利用摩擦及金属的塑性变形吸收、消耗地震能量。国内外已研发了多种形式的金属阻尼器,比如锥形板钢阻尼器、X 型加劲钢板阻尼器、蜂窝型钢板阻尼器、E 型钢阻尼器、单圆锥形阻尼器、减震榫-活动支座等。

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E 型钢阻尼器

2、液体粘滞阻尼器

液体粘滞阻尼器由活塞、粘滞阻尼材料、活塞杆等部分组成, 通过活塞的往复运动耗散能量。液体粘滞阻尼器被广泛应用于桥梁的维修加固及新建工程中。

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液体粘滞阻尼器

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液体粘滞阻尼器剖面

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液体粘滞阻尼器

隔震装置:常用的隔震装置主要有天然橡胶隔震支座铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座、摩擦摆隔震支座等。

1.天然橡胶支座及铅芯橡胶隔震支座

天然橡胶隔震支座由天然橡胶与钢板镶嵌、粘合、硫化而成的一种隔震支座产品,主要由两部分构成,一部分是钢板,另一部分是橡胶,钢板通过对橡胶层的约束作用,使橡胶层和钢板共同承担竖向荷载,给上部结构提供较大承载力。橡胶层具有良好的弹性,在地震中能够产生较大的剪切变形,以满足上部结构的水平位移,此外,在桥梁中还能应对梁端的扭转变形。

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铅芯橡胶隔震支座由橡胶支座在其中间竖直地放入适当直径的铅芯构成, 用以增强叠层橡胶支座的刚度及能量耗散能力。铅芯橡胶支座性能好、价格低廉、加工方便。目前, 铅芯橡胶支座已被多个国*应用于桥梁抗震中, 如日本的宫川大桥, 中国的石津渠中桥、晋江大桥、布谷孜铁路桥等。

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铅芯橡胶隔震支座结构

2、高阻尼橡胶隔震支座

高阻尼橡胶隔震支座采用粘弹性高阻尼橡胶材料制作而成, 同时具备粘弹性和高阻尼性, 具有更大的初始刚度。目前, 高阻尼橡胶支座已经广泛应用于建筑结构和公路桥梁中。

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高阻尼橡胶隔震支座结构

3、摩擦摆隔震支座

摩擦摆隔震支座利用摩擦滑移耗能和自身的重力及圆弧滑移面自动复位, 具有较好的综合隔震性能。目前, 摩擦摆支座被广泛应用于新建建筑工程中。

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摩擦摆隔震支座结构

减隔震技术现状及方案的选择

减隔震技术经过几代人的努力已经日趋成熟,能够结合工程的实际情况进行选择。但是,该项技术还存在着许多问题,比如经济投入大,并不能使更多的平民建筑、乡镇建筑采用;技术难度大,在设计方面各种装置性能各异,其之间的组合并不成系统,还要考虑环境因素对装置结构的性能影响;器材的养护费用高等等。因此在进行建筑结构的减隔震设计时,应该从经济、安全、技术实施的可行性等多方面进行综合考量分析,参考抗震设防的类型、所需的设防烈度、建筑的现实场地条件、使用功能进行综合判断,最终确定设计方案。

参考文献:

1、陶锦华,减隔震技术的发展及在学校建筑中的应用,智城建设,2020年第13期

2、李金红,建筑结构减隔震技术应用探讨,科技创新导报,建筑科学,2019年

3、罗华, 李志华,高速铁路桥梁减隔震装置研究进展,湖南理工学院学报(自然科学版),第33卷 第2期 ,2020年6月

4、马艳、李港辉等,探究我国减隔震技术研究综述,陕西建筑,2018年12月总第282期

文章来源:震知卓见(ID:dizhen_sd)

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