談工程結(jié)構(gòu)防震技術(shù)發(fā)展方向
關(guān)鍵詞：抗震，消震，隔震
1前言
地震是一種危害極大的突發(fā)性自然災(zāi)害，1976年唐山地震和2008年汶川地震均造成巨大的生命與財產(chǎn)損失。為減少震害，有效地防御地震，不斷地研究完善結(jié)構(gòu)防震的理論與技術(shù)顯得十分緊迫且必要。
2結(jié)構(gòu)的抗震
結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)是一種傳統(tǒng)的防震技術(shù)，抗震設(shè)防目標被形象地描述為“裂而不倒”，在現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范中又將這一設(shè)防目標具體化為“小震不壞，中震可修，大震不倒”。為了達到這一目標，要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有相當?shù)膹姸群退苄宰冃文芰Α＿@種設(shè)計思想實際上是一種“疲勞戰(zhàn)術(shù)”，即是依靠建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度和塑性變形能力，來抵抗地震作用和吸收地震能量，抵御地震作用立足于“抗”。傳統(tǒng)建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固結(jié)于地面，猶如地面上的一個地震反應(yīng)“放大器”，地震時建筑物受到地震的作用由上向下逐漸放大，從而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件被破壞，建筑物內(nèi)人員也會感到強烈的振動。為了保證建筑物的安全，必須加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計強度，耗用材料多。地震力是一種慣性力，建筑物的構(gòu)件斷面大，所用材料多，質(zhì)量大，同時受到的地震作用也增大，這樣很難在經(jīng)濟和安全之間找到一個平衡點。同時傳統(tǒng)的抗震方法僅能解決7~9度區(qū)的設(shè)防問題，而結(jié)構(gòu)在高裂度下被破壞，對此，目前的抗震方法尚無法解決。之所以如此，是因為通常的工程抗震方法不是御“患”于外，而是引“患”入內(nèi)，讓地震波自然輸入上部結(jié)構(gòu)，引起上部結(jié)構(gòu)的強迫振動，然后采取增大構(gòu)件截面尺寸，增加配筋量……等措施來抗震。應(yīng)該說傳統(tǒng)的防震技術(shù)完全是一種被動的方法，要改變這種狀況，必須研究和采取有效的防震技術(shù)，于是有專家提出了“消震”技術(shù)。
3結(jié)構(gòu)的消震
結(jié)構(gòu)消震構(gòu)造措施和設(shè)計手段，對結(jié)構(gòu)加以控制使之形成最佳耗能機構(gòu)，以吸收和耗散地震能量。強調(diào)抗震與消震相結(jié)合，突出消震作用，即結(jié)構(gòu)在地震作用下，做到“小震抗，大震消，中震抗消結(jié)合”，將設(shè)計與分析相結(jié)合，強調(diào)設(shè)計的主觀能動性。消震技術(shù)的關(guān)鍵是在結(jié)構(gòu)的次要部位，通過設(shè)計分析，人為地采取一些構(gòu)造措施，形成構(gòu)造的薄弱環(huán)節(jié)，使之在地震作用到一定程度時，首先出現(xiàn)破壞，產(chǎn)生塑性變形，以變形消耗地震能量。例如對R.C剪力墻結(jié)構(gòu)在聯(lián)系梁兩端，通過設(shè)計增加一些構(gòu)造、措施，人為地設(shè)置塑性鉸。地震時保證梁兩端首先開裂破壞，待震后再修復(fù)加固聯(lián)系梁（較之加固被破壞的主體結(jié)構(gòu)簡單易行）。
消震技術(shù)較抗震技術(shù)顯得積極主動些，加大了人的主觀能動性的作用，但仍需與“抗”相結(jié)合。雖然理論上可行，但實際操作上難度較大，不易實現(xiàn)況且以被破壞結(jié)構(gòu)的次要部位來消耗地震能量，其代價也是相當大的。鑒于以上原因，人們又提出了結(jié)構(gòu)的隔震技術(shù)。
4結(jié)構(gòu)的隔震
由于抗震和消震方法上存在缺陷，因此缺乏發(fā)展前途。要改變抗震方法的缺陷，需要變“抗”為“隔”，以“隔震”取代“抗震”或“消震”，這樣才能提高抵御地震災(zāi)害的能力。
結(jié)構(gòu)的隔震是在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置隔震措施，大幅度降低地震波向上部結(jié)構(gòu)傳遞，從而明顯減輕或消除地震造成的災(zāi)害。隔震比之抗震，技術(shù)手段發(fā)生了本質(zhì)變化，因為二者抵御地震的途徑不同。
隔震屬結(jié)構(gòu)控制范疇，結(jié)構(gòu)控制系研究結(jié)構(gòu)控制裝置的設(shè)計理論及方法。結(jié)構(gòu)控制分主動控制（ActiveControl)和被動控制(PasssiveControl)。主動控制是通過控制器向結(jié)構(gòu)輸入能量，改變經(jīng)過結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能指標函數(shù)極小，進而減小或抑制結(jié)構(gòu)反應(yīng)。從理論上講，主動控制可以針對具體情況，實現(xiàn)所需的任意控制狀態(tài)。主動控制原理先進，控制效果顯著，但由于控制力需要外部能源，故這種控制器的設(shè)置技術(shù)高，且費用昂貴。主動控制由于許多問題尚未解決，目前仍處于研究階段。被動控制包括基礎(chǔ)隔震、減震、耗能、使用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TunedMassDamper,簡稱TMD)等。被動控制的特點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，易于控制，造價低廉，不需要外部能源，但對結(jié)構(gòu)的控制有局限性。目前，國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)的控制還是以被動控制為主。
一般結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震元件，形成柔性底層，使基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)斷開，延長上部結(jié)構(gòu)的基本周期，從而避開地震地面運動的主頻帶范圍，減小共振效應(yīng)，阻斷地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，將其直接吸收或反饋回地面。采用隔震技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)的地震作用一般可減弱1/4~1/8，地震時建筑物上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)以第一震型為主，類似于剛體運動，基本無反應(yīng)放大作用，從而保證建筑物的安全甚至避免小結(jié)構(gòu)構(gòu)件如設(shè)備、裝修被破壞。隔震技術(shù)的設(shè)防策略立足于“隔”，采用“拒敵于門外”的防御戰(zhàn)術(shù)，“以柔克剛”，利用專門的隔震元件，以集中發(fā)生在隔離層的較大的相對位移為代價，阻隔地震向上部傳遞，使建筑物有更高的可靠性和安全性。目前的隔震技術(shù)主要有以下幾種：
4.1夾層橡膠墊隔震
夾層橡膠墊用天然橡膠墊或合成橡膠墊與鋼板夾層設(shè)置，此種隔震措施平時可承受垂直荷載、地震時能承受地震作用F,其水平方向可有一定位移，因此具有隔震效果。
4.2滾軸隔震
結(jié)構(gòu)支撐處設(shè)置雙層滾軸，每層滾軸的滾動方向彼此垂直，每層滾軸之間以墊板相隔。
4.3雙柱系統(tǒng)
地下室的柱子是空心的，而且剛度較大，其內(nèi)放置著承受整個上部結(jié)構(gòu)荷載的很柔的柱子，該系統(tǒng)具有雙線性性狀，在地震作用下，允許內(nèi)柱在一定限度內(nèi)擺動。
4.4懸掛吊式隔震
將上部結(jié)構(gòu)懸掛起來，此種隔震措施效果較好，但懸掛吊裝置施工困難，造價昂貴，且易失靈。
4.5螺旋彈簧支座隔震
螺旋彈簧由金屬材料制成，其材料為錳鋼、硅錳鋼和鉻釩鋼。螺旋彈簧的優(yōu)點是材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的可選范圍大，能適應(yīng)不同的荷載變形，性能穩(wěn)定、耐久性好。
4.6阻尼器隔震
此系統(tǒng)是彈簧塑性阻尼器、粘性阻尼器及摩擦阻尼器。當?shù)卣鸢l(fā)生時通過適度阻尼，吸收能量而起隔震作用。
5隔震技術(shù)的發(fā)展方向
人類在與地震斗爭的過程中，防震理論和技術(shù)不斷進步，并在實踐中得到發(fā)展、完善。從單純的“抗”到“消”再發(fā)展到“隔”，抗震設(shè)防策略發(fā)生了重大改革和飛躍。尤其是隔震技術(shù)作為一種新興的建筑應(yīng)用技術(shù)，代表著未來建筑防震技術(shù)的發(fā)展方向，已經(jīng)受到越來越多的工程技術(shù)人員和其他專業(yè)人員的認可和關(guān)注，并且在推廣應(yīng)用中必將逐步走向成熟。與此相應(yīng)，關(guān)于隔震技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計規(guī)范、規(guī)程和產(chǎn)品標準也必將推動隔震技術(shù)的發(fā)展。
目前，我國地震形勢十分嚴峻，未來，幾年我國仍將處于地震活躍期。隔震技術(shù)應(yīng)該為也能夠為減輕地震災(zāi)害、保障人民生命、財產(chǎn)安全做出更大的貢獻。
