云南隔震建筑與消能減振結構的發展研究★

劉德穩 楊杰 賈強

云南隔震建筑與消能減振結構的發展研究★

劉德穩 楊杰 賈強

從隔震建筑、消能減振結構與傳統抗震建筑對比出發,闡述了這些新技術的原理和國內外發展現狀,并對云南省在這方面的研究發展進行了分析和討論,分析表明,隔震建筑和消能減振結構在高烈度地震區能有效的保護人民的生命和財產安全。

隔震,消能減振,以柔克剛

2008年的汶川大地震使震中及周邊地區無數建筑物倒塌、損壞,然而位于地震影響區內、采用了隔震技術的甘肅隴南武都區的北山郵政職工宿舍樓幾乎沒受什么影響,樓內住戶普遍反映感覺震感較小,屋內家具、廚具和懸掛的裝飾物均無翻倒現象,而其相鄰的非隔震樓房則不同程度的發生了墻體開裂、墻面粉刷脫落,屋內家具、電器設備、廚具等翻倒情況嚴重,村鎮的房屋甚至有倒塌現象。近年來,隔震與消能減震建筑逐漸成為熱點,而處于高烈度區的云南省也正在積極推廣這些新技術。

1 隔震結構與消能減振結構的原理

基于傳統建筑結構提出的抗震設計思想以“小震不壞、設防烈度可修、大震不倒”三水準為設防目標,建筑結構依靠結構的變形來吸收并消耗地震能量。在結構遭遇到中、小型地震時,依靠結構吸收并消耗地震能量是可行的。然而,當建筑結構遭遇到大地震或特大罕遇地震時,完全依靠結構難以吸收并消耗巨大的地震能量。因此,雖然采用了嚴格的設計,在遇到超過規范設計要求的大地震或特大地震時仍無法確保結構安全,尋求有別于傳統抗震體系的新體系成了眾多學者的研究目標。

基礎隔震結構體系通過設置隔震層,將結構分為上部結構、隔震層和下部結構三部分,地震能量經由下部結構傳到隔震層,由隔震層的隔震裝置吸收并消耗主要地震能量后,僅有少部分能量傳到上部結構。隔震層的設置改變了上部結構的周期,降低了結構的地震反應,確保上部結構在大地震時仍可處于彈性狀態,或保持在彈塑性變形狀態的初期狀態。傳統的抗震結構是以自身的承載能力與塑性變形能力與地震“硬碰硬”對抗,屬于“以剛克剛”。而耗能減振結構是在結構的抗側力構件中設置耗能部件,當結構承受地震作用時,耗能構件或耗能裝置產生彈塑性滯回變形,吸收并消耗地震輸入結構中的能量,以減少主體結構的地震響應,達到減震控震的目的,屬于“以柔克剛”。具體的說,就是把結構的某些部位(層間、空間、節點、連接縫等)安裝消能裝置,在小風或者小震下,這些消能桿件(或消能裝置)和結構共同工作,結構本身處于彈性狀態并滿足正常使用要求;在大震或強風下,隨著結構側向變形的增大,消能桿件(或消能裝置)產生較大阻尼,大量消耗輸入結構的地震或風振能量,使結構的動能或者變形能轉化成熱能等形式耗散掉,迅速衰減結構的地震或風振反應,使主體結構避免出現明顯的非彈性狀態(結構仍然處于彈性狀態或者雖然進入彈塑性狀態,但不發生危及生命和喪失使用功能的破壞)。

2 國內外隔震、消能減振結構發展情況

20世紀 70年代,新西蘭學者Robinson W H研發出鉛芯橡膠支座后,基礎隔震技術才開始逐步受到人們的關注,世界第一幢隔震建筑是南斯拉夫的一個 3層鋼筋混凝土結構,采用了天然橡膠支座。此后,隔震理論和技術不斷發展,日本、新西蘭、美國等國家在隔震方面取得的成就尤為突出。2003年落成的日本大阪楠葉塔樓城最高部分達到 136.8m,是目前在建的應用基礎隔震技術的最高建筑物。20世紀 70年代,美國學者 Killy提出了在結構中設置非結構構件的耗能元件——金屬軟鋼屈服耗能器,包括扭轉梁、彎曲梁和U型鋼器件,分擔和耗散本來由結構構件耗散的振動能量,這就是最初的結構被動消能減震方法;20世紀 50年代,日本學者 Kobori提出了主動變剛度的地震反應控制思想;1972年,美籍華裔學者 J.T.P.Yao教授將現代控制理論應用于結構控制,提出了土木工程結構控制的概念,從而開始了土木工程結構主動控制的理論和試驗研究;近年來,智能材料和結構的發展成為結構減振控制的一個新發展方向。

我國在隔震、消能減振方面起步雖較日本、美國晚,但發展迅速,全國各地也涌現出了一批代表性建筑。在隔震方面,汕頭陵海路的隔震居民樓、廣州大學行政辦公樓等現有隔震建筑都為促進隔震結構的發展提供了很好的素材,特別是汶川地震后,綿竹遵道學校教學樓、彭州白鹿鎮政務中心、都江堰向峨鄉政務中心大樓等新建建筑也紛紛采用隔震技術,在成都甚至出現了高層隔震建筑群——凱德豐尚住宅社區。在消能減振方面,已建成的同濟大學新土木樓、上海環球金融中心等都是很好的實例,都江堰北街小學實驗外國語學校藝術大樓也使用阻尼器進行震后加固;隨著理論的不斷發展和技術的不斷進步,將有更多的隔震和消能減振建筑在我國出現。

3 云南省隔震、消能減振結構發展現狀和前景分析

云南位于印度洋板塊與歐亞板塊碰撞帶東側,全省各地全部為 6度及 6度以上設防,其中 7度以上設防的地區占到 84%,部分地區處于斷裂帶上,有 3個地區是 9度設防區。所以如何有效地保障人民的生命和財產安全,是過去、現在和將來都要面臨的重要問題。幸運的是云南省正在積極推進隔震和消能減振技術的應用。1993年 8月,和志強省長率省政府代表團出訪馬來西亞,與馬方簽訂合作意向書,聯合開發防震技術和材料;12月,“隔震橡膠支座開發研究”被列入云南省政府重點“八五”科技攻關項目。隔震橡膠支座開發研究項目于 1998年通過了省科委驗收,達到國際先進水平,1999年評為科技進步三等獎。所研發的橡膠支座具有豎向承載能力大、水平剛度大,控制位移能力強、支座屈服剛度大、支座的耐老化性能好,使用壽命長等優點。由于該技術具有廣泛的應用前景,產品優越、質量可靠、技術成熟,1999年云南省建設廳下達了“關于在抗震設防區優先采用我省生產的隔震橡膠支座的通知”文件(云建科[1999]第 667號),并在省建設廳“十五”計劃中要求：在高設防烈度區,應用隔震技術的新建建筑要達到總新建建筑的10%。2008年,由云南省地震工程研究院和北京市建筑設計研究院牽頭,國內多家科研院校及新西蘭、日本等國內外知名專家組成的研究團體克服重重困難,采用混合隔震設計方法,成功研發出了具有自主知識產權的大直徑、大位移橡膠隔震支座,并首次將此減隔震技術和新品應用于國家重大建設工程,建筑抗震性能大幅提高,功能得到優化,技術達到國際先進水平。云南省人民政府印發云南省防震減災“十一五”規劃中提出加強各類建設和加固工程的抗震設計與施工管理;建設、地震及相關部門和單位要高度重視重要隱患排查和抗震加固工作,發展抗震加固技術,開發和推廣應用隔震、減振新技術,進行城市地震安全示范工程建設。

云南省也涌現出了一批優秀的隔震和消能減振建筑。在隔震方面,已經建成的隔震建筑在地震中表現出了良好的性能,如1995年云南武定 6.5級地震,地震發生時,大理震感強烈,而橡膠墊隔震建筑——大理州交通指揮中心大樓中的大多數人沒有感覺;已建成的云南民航麗江賓館、思茅行政中心,在建的普洱市行政中心辦公樓也采用了隔震技術;在 9度設防區的東川的軟地層上,也建成了采用隔震技術的泰隆宏瑞酒店;昆明新機場航站樓采用了近 2 000個橡膠隔震支座,建成后將成為全球最大單體隔震建筑,同時昆明新機場采用了先進的阻尼器,輔助隔震設備來消耗地震能量;由于隔震理論近來發展的比較成熟,也在大量實際工程中得到了應用,所以云南省在隔震建筑方面已經取得了不錯的成就,但是在消能減振方面,由于理論的發展還在迅速進行,全國所用的實際工程也遠少于隔震建筑,所以云南在消能減振建筑方面也還在研究和探索中,相信這種先進的對付地震的方法,一定會在云南省更多的出現。

綜上所述,建筑隔震和消能減振技術是近年來發展的新技術,我國應該加大對研究的投資力度和實際工程的推廣力度;對于云南省,應該有效的利用國內外研究成果,通過政府、專家的心血,大力推廣這些新技術的使用,使更多的安全建筑聳立在高烈度地震區。

[1]周福霖.工程結構減振控制[M].北京：地震出版社,1997.

[2]周錫元.工程抗震的新發展[M].北京：清華大學出版社,2002.

[3]李愛群.工程結構減振控制[M].北京：機械工業出版社,2007.

[4]周 云.防災減災工程學[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.

[5]黨 育.基礎隔震結構設計及施工指南[M].北京：中國水利水電出版社,2007.

[6]劉文光.隔震結構設計[M].北京：地震出版社,2006.

Development research on seism ic-isolated building and energy dissipation and seism ic protection structure in Yunnan p rovince

LIU De-w en YANG Jie JIA Qiang

Starting from the comparison among seismic-isolated building,energy dissipation and seismic p rotection structure,and traditional seism ic-resistant building,this thesis expounds thep rinciples of these new technologies and their developmentstatus athomeand abroad,analyzes and discusses the development research in this aspect in Yunnan province.Analysis result shows that：seismic-isolated building and energy dissipation and seismic protection structure can effectively protect the safety of life and property.

seism ic-isolation,energy dissipation and seism ic protection,roll with the punches

TU973.31

A

1009-6825(2011)03-0019-02

2010-10-01 ★：森林工程特色專業(項目編號：501035),省級結構工程試驗教學示范中心(項目編號：501042),校級森林工程重點學科(項目編號：47002801)共同贊助

劉德穩(1983-),男,碩士,助教,西南林業大學交通機械與土木工程學院,云南昆明 650224

楊 杰(1981-),女,碩士,助教,四川廣播電視大學教學處,四川 成都 610073

賈 強(1983-),男,碩士,助教,中華女子學院,北京 100010