云南隔震建筑与消能减振结构的发展研究★

刘德稳 杨杰 贾强

云南隔震建筑与消能减振结构的发展研究★

刘德稳 杨杰 贾强

从隔震建筑、消能减振结构与传统抗震建筑对比出发,阐述了这些新技术的原理和国内外发展现状,并对云南省在这方面的研究发展进行了分析和讨论,分析表明,隔震建筑和消能减振结构在高烈度地震区能有效的保护人民的生命和财产安全。

隔震,消能减振,以柔克刚

2008年的汶川大地震使震中及周边地区无数建筑物倒塌、损坏,然而位于地震影响区内、采用了隔震技术的甘肃陇南武都区的北山邮政职工宿舍楼几乎没受什么影响,楼内住户普遍反映感觉震感较小,屋内家具、厨具和悬挂的装饰物均无翻倒现象,而其相邻的非隔震楼房则不同程度的发生了墙体开裂、墙面粉刷脱落,屋内家具、电器设备、厨具等翻倒情况严重,村镇的房屋甚至有倒塌现象。近年来,隔震与消能减震建筑逐渐成为热点,而处于高烈度区的云南省也正在积极推广这些新技术。

1 隔震结构与消能减振结构的原理

基于传统建筑结构提出的抗震设计思想以“小震不坏、设防烈度可修、大震不倒”三水准为设防目标,建筑结构依靠结构的变形来吸收并消耗地震能量。在结构遭遇到中、小型地震时,依靠结构吸收并消耗地震能量是可行的。然而,当建筑结构遭遇到大地震或特大罕遇地震时,完全依靠结构难以吸收并消耗巨大的地震能量。因此,虽然采用了严格的设计,在遇到超过规范设计要求的大地震或特大地震时仍无法确保结构安全,寻求有别于传统抗震体系的新体系成了众多学者的研究目标。

基础隔震结构体系通过设置隔震层,将结构分为上部结构、隔震层和下部结构三部分,地震能量经由下部结构传到隔震层,由隔震层的隔震装置吸收并消耗主要地震能量后,仅有少部分能量传到上部结构。隔震层的设置改变了上部结构的周期,降低了结构的地震反应,确保上部结构在大地震时仍可处于弹性状态,或保持在弹塑性变形状态的初期状态。传统的抗震结构是以自身的承载能力与塑性变形能力与地震“硬碰硬”对抗,属于“以刚克刚”。而耗能减振结构是在结构的抗侧力构件中设置耗能部件,当结构承受地震作用时,耗能构件或耗能装置产生弹塑性滞回变形,吸收并消耗地震输入结构中的能量,以减少主体结构的地震响应,达到减震控震的目的,属于“以柔克刚”。具体的说,就是把结构的某些部位(层间、空间、节点、连接缝等)安装消能装置,在小风或者小震下,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;在大震或强风下,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)。

2 国内外隔震、消能减振结构发展情况

20世纪 70年代,新西兰学者Robinson W H研发出铅芯橡胶支座后,基础隔震技术才开始逐步受到人们的关注,世界第一幢隔震建筑是南斯拉夫的一个 3层钢筋混凝土结构,采用了天然橡胶支座。此后,隔震理论和技术不断发展,日本、新西兰、美国等国家在隔震方面取得的成就尤为突出。2003年落成的日本大阪楠叶塔楼城最高部分达到 136.8m,是目前在建的应用基础隔震技术的最高建筑物。20世纪 70年代,美国学者 Killy提出了在结构中设置非结构构件的耗能元件——金属软钢屈服耗能器,包括扭转梁、弯曲梁和U型钢器件,分担和耗散本来由结构构件耗散的振动能量,这就是最初的结构被动消能减震方法;20世纪 50年代,日本学者 Kobori提出了主动变刚度的地震反应控制思想;1972年,美籍华裔学者 J.T.P.Yao教授将现代控制理论应用于结构控制,提出了土木工程结构控制的概念,从而开始了土木工程结构主动控制的理论和试验研究;近年来,智能材料和结构的发展成为结构减振控制的一个新发展方向。

我国在隔震、消能减振方面起步虽较日本、美国晚,但发展迅速,全国各地也涌现出了一批代表性建筑。在隔震方面,汕头陵海路的隔震居民楼、广州大学行政办公楼等现有隔震建筑都为促进隔震结构的发展提供了很好的素材,特别是汶川地震后,绵竹遵道学校教学楼、彭州白鹿镇政务中心、都江堰向峨乡政务中心大楼等新建建筑也纷纷采用隔震技术,在成都甚至出现了高层隔震建筑群——凯德丰尚住宅社区。在消能减振方面,已建成的同济大学新土木楼、上海环球金融中心等都是很好的实例,都江堰北街小学实验外国语学校艺术大楼也使用阻尼器进行震后加固;随着理论的不断发展和技术的不断进步,将有更多的隔震和消能减振建筑在我国出现。

3 云南省隔震、消能减振结构发展现状和前景分析

云南位于印度洋板块与欧亚板块碰撞带东侧,全省各地全部为 6度及 6度以上设防,其中 7度以上设防的地区占到 84%,部分地区处于断裂带上,有 3个地区是 9度设防区。所以如何有效地保障人民的生命和财产安全,是过去、现在和将来都要面临的重要问题。幸运的是云南省正在积极推进隔震和消能减振技术的应用。1993年 8月,和志强省长率省政府代表团出访马来西亚,与马方签订合作意向书,联合开发防震技术和材料;12月,“隔震橡胶支座开发研究”被列入云南省政府重点“八五”科技攻关项目。隔震橡胶支座开发研究项目于 1998年通过了省科委验收,达到国际先进水平,1999年评为科技进步三等奖。所研发的橡胶支座具有竖向承载能力大、水平刚度大,控制位移能力强、支座屈服刚度大、支座的耐老化性能好,使用寿命长等优点。由于该技术具有广泛的应用前景,产品优越、质量可靠、技术成熟,1999年云南省建设厅下达了“关于在抗震设防区优先采用我省生产的隔震橡胶支座的通知”文件(云建科[1999]第 667号),并在省建设厅“十五”计划中要求：在高设防烈度区,应用隔震技术的新建建筑要达到总新建建筑的10%。2008年,由云南省地震工程研究院和北京市建筑设计研究院牵头,国内多家科研院校及新西兰、日本等国内外知名专家组成的研究团体克服重重困难,采用混合隔震设计方法,成功研发出了具有自主知识产权的大直径、大位移橡胶隔震支座,并首次将此减隔震技术和新品应用于国家重大建设工程,建筑抗震性能大幅提高,功能得到优化,技术达到国际先进水平。云南省人民政府印发云南省防震减灾“十一五”规划中提出加强各类建设和加固工程的抗震设计与施工管理;建设、地震及相关部门和单位要高度重视重要隐患排查和抗震加固工作,发展抗震加固技术,开发和推广应用隔震、减振新技术,进行城市地震安全示范工程建设。

云南省也涌现出了一批优秀的隔震和消能减振建筑。在隔震方面,已经建成的隔震建筑在地震中表现出了良好的性能,如1995年云南武定 6.5级地震,地震发生时,大理震感强烈,而橡胶垫隔震建筑——大理州交通指挥中心大楼中的大多数人没有感觉;已建成的云南民航丽江宾馆、思茅行政中心,在建的普洱市行政中心办公楼也采用了隔震技术;在 9度设防区的东川的软地层上,也建成了采用隔震技术的泰隆宏瑞酒店;昆明新机场航站楼采用了近 2 000个橡胶隔震支座,建成后将成为全球最大单体隔震建筑,同时昆明新机场采用了先进的阻尼器,辅助隔震设备来消耗地震能量;由于隔震理论近来发展的比较成熟,也在大量实际工程中得到了应用,所以云南省在隔震建筑方面已经取得了不错的成就,但是在消能减振方面,由于理论的发展还在迅速进行,全国所用的实际工程也远少于隔震建筑,所以云南在消能减振建筑方面也还在研究和探索中,相信这种先进的对付地震的方法,一定会在云南省更多的出现。

综上所述,建筑隔震和消能减振技术是近年来发展的新技术,我国应该加大对研究的投资力度和实际工程的推广力度;对于云南省,应该有效的利用国内外研究成果,通过政府、专家的心血,大力推广这些新技术的使用,使更多的安全建筑耸立在高烈度地震区。

[1]周福霖.工程结构减振控制[M].北京：地震出版社,1997.

[2]周锡元.工程抗震的新发展[M].北京：清华大学出版社,2002.

[3]李爱群.工程结构减振控制[M].北京：机械工业出版社,2007.

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[5]党 育.基础隔震结构设计及施工指南[M].北京：中国水利水电出版社,2007.

[6]刘文光.隔震结构设计[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 ★：森林工程特色专业(项目编号：501035),省级结构工程试验教学示范中心(项目编号：501042),校级森林工程重点学科(项目编号：47002801)共同赞助

刘德稳(1983-),男,硕士,助教,西南林业大学交通机械与土木工程学院,云南昆明 650224

杨 杰(1981-),女,硕士,助教,四川广播电视大学教学处,四川 成都 610073

贾 强(1983-),男,硕士,助教,中华女子学院,北京 100010