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建筑抵抗地震的三种对策

建筑抵抗地震的三种对策

建筑抵抗地震的三种对策

建筑抵抗地震的三种对策


       防震抗震实践表明:危害生命的不是地震本身,而是不结实的建筑。

地震发生时,建在地面上的建筑物会随着地面一起摇晃,轻则造成建筑构件、内部设施、装修损坏,重则造成建筑倒塌。通,常建筑抗御地震的对策有三种:抗震、减震和隔震。

抗震

“抗震”是让建筑物能够承受地震时发生的摇晃。要达到上述目的,一-是建筑的梁、柱、墙等承重构件强度要能够抵抗可能受到的地震作用(国家规定的本地区抗震设防烈度) ;二是构件要有一-定的韧性,即使发生变形也不*于马上破坏;三是要求建筑构架稳定,摇晃时不能散架。“抗震”靠加强结构的强度和韧性来抵抗地震,当地震作用力大于建筑结构抗力时,建筑结构就会发生破坏。传统抗震结构对地震的摇晃有放大作用,而且随高度增加,这就是为什么住在高楼上的人对地震感觉更强烈的原因。

减震

“减震”是在建筑物内设置可以吸收能量的称之为“阻尼器”的各种装置,阻尼器把建筑摇晃的部分能量“吸引”过来加以吸收和耗散,这样作用在建筑构件上的地震力和变形就减小了,建筑的摇晃程度就会减轻。相比之下“抗震”建筑完全以建筑自身构件变形和损伤为代价来吸收地震能量。

隔震

“隔震”是直接将地震时冲击力隔离,使之不能传递到建筑物上的-一种方式。房屋要与大地隔离自然会想到漂浮、滚动、滑动等方式。总之,就是要在地面与建筑物之间设置一个

柔软的隔离层,地震时隔震层会随地面产生大的变形,地震波的高频(振动快)成分就传不上去,建筑上部结构摇晃的周期被延长,仅发生缓慢的平动,构件变形会很小,建筑的主体构件、装修和内部设施都能够得到了有效保护。


减震技术

研究表明,合理设置阻尼器可以使结构加速度反应减小30%左右。阻尼器种类较多,如常用的金属阻尼器、粘滞阻尼器,还有摩擦阻尼器、粘弹阻尼器和调谐质量阻尼器等。

金属屈服阻尼器

由于金属在反复的塑性变形( 屈服滞回变形)过程中能吸收大量能量的特性,因而被用来制造各种类型和构造的耗能减震器。软

钢是是一一种低硬度,高塑性钢材,是*常用的制作金属屈服阻尼器的材料。高速公路的护栏使用的就是类似的材料,当车辆撞击护栏时,护栏产生较大变形吸收撞击能量,汽车的冲击力得到缓冲。软钢作为耗能芯材也是制作屈曲约束支撑的核心材料。屈曲约束支撑( BRB)是一种软钢屈服耗能支撑构件,通过软钢轴向拉压屈服变形来消耗能量。普通支撑的抗拉和抗压能力差异很大,受压时很容易屈服弯曲。普通支撑屈曲后,承载力急剧降低失去支撑能力,且耗能能力较差。屈曲约束支撑( BRB)在支撑外部加设套管,约束支撑芯材的受压屈曲,在拉力和压力作用下都能达到全截面的充分屈服,具有饱满稳定的滞回耗能能力。

粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成,典型的粘弹性阻尼器由两个约束钢板夹--块钢板组成,约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性阻尼材料。在反复轴向力作用下,约束钢板与中间钢板产生相对运动,使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形,以吸收和耗散能量。

粘滞阻尼器.

粘滞阻尼器利用粘滞流体通过节流孔时产生的阻力与速度成比例的原理制成,一般由缸体、活塞和粘性液体所组成。缸体内装有粘性液体,活塞上开有小孔,当活塞在缸体简内做往复运动时,液体从活塞上的小孔流过而产生阻尼力,从而振动能量转化为热能而耗散。

调谐质量阻尼器(TMD)

所谓“ 调谐质量阻尼器( TMD)”是在建筑上(通常为顶部)安装一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的减震系统,将TMD的频率调整到与建筑的振动周期-致,当建筑在地震或风

荷载作用下振动时,TMD很容易产生共振,而TMD质量块的摆动方向与原结构相反,同时其阻尼也发挥耗能作用,这样TMD将结构振动的部分能量吸收到自己身上,转化成自身的动能和阻尼耗能,从而达到减小结构反应的目的。TMD常用于超高层建筑抗风和抗震。

减震工程实例

减震技术适用范围广阔,几乎可以用于所有类型的建筑,钢筋混凝土结构、钢结构、木结构,建筑、桥梁、构筑物等。通常,结构越高、越柔、跨度越大、变形越大,消能减震效果越显著,适用于地震多发区各类建筑抗震和沿海地区建筑抗风等。


隔震技术

我国古代很早就已经有了朴素的基础隔震思想,例如北京紫禁城主要建筑都建于大理石高台上,上面有一层柔软的糯米层(类似隔震层),一定程度上隔离了地震作用。现代意义的基础隔震技术兴起于20世纪70年代,法国和新西兰学者分别研发了由橡胶、钢板叠合而成的橡胶支座和铅芯橡胶支座,隔震技术进人了实用化阶段。目前,国内外用于建筑的隔震装置主要有橡胶隔震支座和滑移(滚动)支座两大类,*常用的是橡胶隔震支座。

橡胶支座隔震技术

使建筑物漂浮在空中或水上与地面完全隔离是很难实现的,但将建筑物建在柔软的橡胶支座上可以达到隔离大多数地震能量的效果。橡胶隔震支座由薄层钢板和橡胶相互叠合而成。当橡胶支座受到竖向压力时,由于薄层橡胶受到钢板的约束,橡胶向侧面膨胀挤出量很小,这样橡胶支座就能支撑建筑物巨大的重量。

另一方面,当橡胶支座受到水平剪力时,因为橡胶片水平向并没有受到约束,所以橡胶水平向是柔软的,可以发生较大的弹性变形,这样地震时就可以隔离大多数的地震水平力传到建筑物上。

橡胶隔震支座分为天然橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座三种。地震时,单纯由钢板和橡胶叠合而成的天然橡胶支座因为阻尼很小,隔震支座水平变形大,建筑物会摆动较长时间。铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座分别在橡胶支座中加入铅芯这和使用高阻尼的橡胶材料,使得橡胶支座具有了足够的阻尼,这样橡胶隔震支座具有了吸收耗散地震能量的作用,隔震支座的水平位移减小,建筑能够在较短时间内停止摆动而复位。橡胶支座具有很好的耐老化性能和抗疲劳性能,其耐久性能满足建筑物的使用寿命。


滑移(滚动) 支座隔震技术

滑移(滚动)支座的基本原理是在建筑物基础和上部结构之间设置一个摩擦系数很小的滑移(滚动)面,地震时建筑物在滑移(滚动)面上做整体水平移动。这种滑移作用削弱了地震能量向上部结构的传递,同时通过摩擦耗散了部分地震能量。滑移支座通常由支撑体、滑移材料和滑移板组成;滚动隔震支座用高强度合金制成滑动性能好的滚轴或滚球制成,由于滚动摩擦系数很小,隔离水平地震的效果显著。


滑移(滚动)支座由于自身不具备复位能力,使用需要附加.复位装置,通常与橡胶隔震支座混合使用。1985年美国学者研发了摩擦摆式隔震支座,摩擦摆支座通过

滑动界面摩擦消耗地震能量,承载力较大,地震时建筑物沿弧形滑动面滑动,且在重力分量作用下具有复位功能,因此在中大吨位桥梁具有广泛应用。

隔震工程实例

实例1: 1994年北岭6.7级地震,南加州大学医院为采用橡胶隔震支座的隔震建筑,地震记录显示建筑*大水平加速度只有基础的一半,医院在地震中丝毫未损,医院功能得到维持,成为救灾中心,对震后紧急救援起到了十分重要的作用。而洛杉矶橄榄景医院破坏严重,地震记录显示建筑水平*大加速度相对基础放大了2倍多,医院功能完全丧失。

实例2: 1995年 日本阪神7.2级地震,西部邮政大楼建是日本当时*大的隔震建筑。地震记录仪观测到建筑*大水平加速度


只有地面的1/3-1/4,建筑震后功能完好,在救灾中发挥了较大作用。Matsumura-Gumi 研究所大楼为3层隔震楼,毗邻的管理大楼是3层非隔震楼,两栋建筑都得到了地震观测记录。隔震楼与非隔震楼*大加速度相差近10倍。

实例3: 2013年4月20日四川雅安发生7.0级地震以后,采用隔震技术修建的芦山县人民医院外观完整且受损较小引起人们关注,已然成为“楼坚强”的代言人。与之相比,相邻的两栋非隔震医疗建筑内部损伤严重,完全丧失功能,如图7所示。

隔震减震技术的应用

隔震减震技术已经历了40多年的研究发展历程,全世界已建成数万栋的隔震减震建筑,其中日本发展较快、应用*为广泛,建成的隔震减震建筑超过万栋,*高的隔震建筑达190米。许多隔震减震建筑在全球的历次大地震中表现出良好的抗震性能。特别是在2011年3月11日9.0级东日本大地震中,数千栋隔震建筑丝毫无损。

隔震减震技术在我国的研究应用也超过30年,特别是建筑橡胶隔震支座在我国的应用较为成熟,标准较为完善。目前国家已颁布了设计、产品、检验、施工和验收维护等系列规范;

减震技术设计、产品、检验等规范也相继出台。隔震减震技术的良好减灾效果得到了社会各界的认同,隔震减震技术广泛应用于学校、医院、机场、救灾中心和住宅等建筑。包括港珠澳大桥、北京新机场、昆明新机场等重大工程均采用了隔震减震技术。近年来,低成本、方便施工的简易隔震技术开始在村镇民居中应用。

采用隔震减震技术虽然增加了专用装置和附属设施费用,但由于采用隔震减震设计,上部结构所承 受的地震力减小,梁柱截面尺寸相应减小,可减少钢材和混凝土的用量,经济性较好。

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