结构抗震与结构减震的比较

高飞剑，耿 欧，郑靖靖

(中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008)

为了防御地震灾害，减轻地震损失，20世纪初一些国家对地震预报、工程抗震、地震控制等方面进行了一系列研究，其中工程抗震认为是一项切实有效的措施，其目的是寻求最合理的抗震设计，使在地震时能够保证结构物的安全，这是传统的结构抗震设计思想。

隔震的概念早在19世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层;现代的基础隔震理论和实践开始于上世纪70年代，基础隔震方案很多［1］。

J.A.Calantarients于1909年提出的隔震结构(Base－isolated building)方案。这种隔震结构在建筑物结构与基础之间用滑石(云母)层隔开，地震时建筑物可以滑动，如图1所示

图1 隔震建筑物

中村太郎于1927年提出的隔震结构方案。在这种隔震系统中已使用阻尼泵来耗散地震动的能量，并且在该建筑地下层柱的上下端采用铰接构造，建筑物可以水平自由移动。如图2所示

图2 隔震系统

1972年美籍华裔学者姚治平(J.T P Yao)教授撰文第一次明确提出了土木工程结构控制的概念，30年来，国内外学者在结构控制的理沦、方法、试验和工程应用等方面取得大量的研究成果。结构控制的概念可以简单表述为:通过对结构附加控制机构或装置，由控制机构或装置与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。

抗震结构利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量。立足于“抗”;隔震结构在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地震能量向上传递，立足于“隔”。

1 结构抗震原理与结构减震原理的比较

传统的结构抗震［2］基本原理是:通过增强结构本身的抗震性能(强度、刚度、延性)来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量。可以说这是被动消极的抗震对策。由于人们尚不能准确地估计未来地震灾害作用的强度和特性，按照传统抗震设计的结构不具备自我调节的能力。因此，结构很可能不满足安全性研究而产生严重的破坏和倒塌，造成重大的经济损失和人员伤亡;当今结构减震原理隔震的原理就是通过设置隔震装置系统形成隔震层，延长结构的周期，适当增加结构的阻尼，使结构的加速度反应大大减少，同时使结构的位移集中于隔震层，上部结构像刚体一样，自身相对位移很小，结构基本上处于弹性工作状态。

2 结构抗震与结构减震设计方法的比较

传统抗震设计方法［2］以概率理论为基础，提出三水准的设防要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。并通过两个阶段设计来实现:第一阶段设计采用第一水准烈度的地震动参数，结构处于弹性状态，能够满足承载力和弹性变形的要求;第二阶段设计采用第三水准烈度的地震动参数，结构处于弹塑性状态，要求具有足够的弹塑性变形能力，但又不能超过变形限值，使建筑物“裂而不倒”。然而，结构物要终止在强震或大风作用下的振动反应(速度、加速度和位移)，必然要进行能量转换或耗散。传统抗震结构体系实际上是依靠结构及承重构件的损坏消耗大部分输入能量，往往导致结构构件严重破坏甚至倒塌，这在一定程度上是不合理也是不安全的;结构消能减震设计是指在房屋结构中设置消能装置，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，达到预期设防要求。具体说，就是把结构的某些构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成消能杆件，或在结构的某些部位(层间空间、节点、连接缝等)安装消能装置，在小风或小震下，这些消能杆件(或消能装置)和结构共同工作，结构本身处于弹性状态并满足正常使用要求;在大震或大风下，随着结构侧向变形的增大，消能杆件或消能装置产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震或风振能量，使结构的动能或者变形能转化成热能等形式耗散掉，迅速衰减结构的地震或风振反应，使主体结构避免出现明显的非弹性状态(结构仍然处于弹性状态或者虽然进入弹塑性状态，但不发生危及生命和丧失使用功能的破坏)。

为了克服传统抗震设计方法的缺陷，结构振动控制技术(简称“结构控制”)逐渐发展起来，并被认为是减轻结构地震和风振反应的有效手段。结构消能减震(又称“消能减振”)技术就是一种结构控制技术，《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)首次以国家标准的形式对房屋消能减震设计这种抗震设防新技术的设计要点做出了规定，标志着消能减震技术在我国已经由科学研究走向了推广应用阶段。

结构消能减震技术的研究来源于对结构在地震发生时的能量转换的认识，1995年，美国Reinhorn等就Taylor公司生产的粘滞阻尼器做了相似比为1∶3的三层钢筋混凝土框架实验。模型见下图3.每层楼板重120 kN，厚50.8 mm。楼板由76.2 mm×76.2 mm的梁支撑，梁端下为101.6 mm×101.6 mm 的方柱［3］。

图3 三层钢筋混凝土框架实验模型

3 抗震结构与减震结构设防目标的比较

传统抗震设防目标提出了三水准的设防要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。并通过两个阶段设计来实现:第一阶段设计采用第一水准烈度的地震动参数，结构处于弹性状态，能够满足承载力和弹性变形的要求;第二阶段设计采用第三水准烈度的地震动参数，结构处于弹塑性状态，要求具有足够的弹塑性变形能力，但又不能超过变形限值，使建筑物“裂而不倒”。

对于减震结构，新规范［4］对其抗震设防目标只有如下的原则规定:“采用隔震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区的多遇地震影响、抗震设防烈度地震影响和罕遇地震影响时，其抗震设防目标应高于本规范第1.0.1条的规定。”这里明确了消能减震建筑的抗震设防目标应高于一般依靠自身强度及变形能力(延性)来抗御地震的建筑的抗震设防目标。

根据对消能减震结构减震能力的系列研究、考虑不同工程情况可能的不同要求以及工程实践经验并参考传统建筑的抗震设防目标的要求，为了促进消能减震结构抗震设计技术的进步与在工程中的实施，文献［5］提出减震结构的抗震设防目标可具体化为如下A、B、C三类。

(1)A目标。抗震设防目标与现行建筑抗震设计规范规定的传统结构抗震设防目标相同。这个设防目标要求“小震不坏，中震可修，大震不倒”。由于不同原因导致结构在多遇地震下尚不能满足规范要求，或需采取明显不合理的过分加强措施才能满足规范要求，以及既有建筑抗震加固要求设防目标与传统结构抗震设防目标一致时，结构可设计成这类设防目标的减震结构。

(2)B目标。当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用;当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。这个设防目标要求“中震不坏，大震可修”。多数减震结构可按照这个设防目标设计。

(3)C目标。当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理或经简单修理可继续使用。这个设防目标要求“大震不坏”。对于消能减震要求更高的减震建筑及在较低设防烈度地震区，可采用这类设防目标。

上述设防目标对于框架结构完全适用，而且更易于实现。研究和工程实践均表明，设置阻尼器的减震结构在技术上使建筑在地震作用下达到上述抗震设防目标B、C是可能的。这样的设防目标可使结构在抗御罕遇地震作用时基本上不产生大的损坏，在震后可以使生命线建筑(即地震时不能中断使用的建筑)以及大批重要建筑继续有效工作，发挥其应有的作用，从而使整个城市不致在震后瘫痪，与传统的大震不倒的要求相比，可保留并延续建筑和城市的生命，从而为国家和社会带来巨大的经济效益。

4 框架结构抗震与减震的设计要点的比较

4.1 框架结构抗震设计［6］要点

(1)框架结构动力特性分析，主要是结构自振周期的确定;(2)结构地震反应的计算，包括多遇烈度下的地震反应与结构侧移计算;(3)结构在地震作用下的内力分析;(4)结构构件的截面抗震设计。

4.2 框架结构减震设计［6］要点

(1)提出框架结构消能减震后的预期变形;(2)确定结构需要消能器提供的附加阻尼;(3)设计消能器的类型、数量和布置;(4)对消能减震结构进行整体的分析，达到满足变形控制要求;(5)设计消能部件及其与主体结构的连接。

5 隔震橡胶支座简介

隔震橡胶［6］支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座等。

天然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小，而水平刚度较小，且线性性能好。由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。

铅芯隔震橡胶支座由新西兰的ROBINSON及其公司最早研制开发，以后在中国、日本、美国、意大利等国家都得到了较大的发展与应用。

铅芯橡胶支座［7］不但具有较理想的竖向刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到广泛欢迎。

6 结束语

结构传统抗震的设计思想主要是依靠结构构件自身的强度和延性来抵抗地震作用及吸收地震能量，这种设计方法是让结构自身承受较大的地震力。在抗震设防区建筑结构设计遵循:强柱弱梁、强剪弱弯、强结点弱构件、强压弱拉的基本原则，可以保证结构的整体性，防止结构发生倒塌，但是对组成结构体系的构件来讲，其吸收地震能量进而发生构件破坏的结果是必然的。因此，设置了隔震措施的建筑物要比传统的抗震建筑物更加安全，建筑物中的隔震技术将被广泛应用。

［1］周锡元，吴育才.工程抗震新发展［M］.清华大学出版社，暨南大学出版社，2002

［2］柳炳康.工程结构抗震设计［M］.武汉理工大学出版社，2005

［3］魏琏，王森，郑久建.粘滞阻尼减震框架结构抗震设计方法［OL］.水利工程网，http∥www.shuigong.com/papers/jianzhu/20060413/paper19503.shtml

［4］GB50011－2001建筑抗震设计规范［S］

［5］郑久建.粘滞阻尼减震结构分析方法及设计理论研究［D］.中国建筑科学研究院，2003

［6］王社良.抗震结构设计［M］.武汉理工大学出版社，2004

［7］吴彬，庄军生，臧晓秋.铅芯橡胶支座的非线性动态分析力学参数试验研究［J］.工程力学，2004，21(5):144－149