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               【技術服務】 結構減震技術

     建筑在傳統抗震技術之后,又出現減隔震技術,大體可以劃分如下:
 
圖1 抗震技術分類

     減震則是在傳統抗震的基礎上增加適當的耗能系統,少量布置的阻尼器耗散了大量的地震能量,使得傳統結構的負擔大大減小,從而降低了房子的損傷程度。
    減震適用范圍較廣,除砌體結構外,其他結構均可采用,結構的類型和高度均不受限制。
 

圖2 減震建筑

    這就相當于傳統意義上的房子雇傭了一位專業服務生,當地震君們登門的時候,主人多了一個接待的幫手,自然壓力也就大大減輕了。
    減震的實現途徑其實也是比較多的,例如消能減震、調諧質量減震、主動控制減震等,臺北101大廈樓上有只著名的金色鐵球,就屬于看起來比較漂亮的調諧質量減震的一種。但由于減震的實現方式和成本問題,大部分形式的減震技術都屬于王謝堂前燕,很少飛入尋常百姓家,所以,考慮到我們日常生活中大部分的房子都屬于囊中羞澀型,我們這里主要介紹一種成本相對不高的減震方式——消能減震。

    消能減震主要有跑得快(速度相關型消能器)和走得遠(位移相關型消能器)兩大類。

(1)跑得快型消能器(速度相關型消能器)

    顧名思義,其消耗地震能量的能力主要同所安裝位置的相對速度有關系,在其正常工作時,消能器兩端的相對速度越大,其所提供的耗能能力也越大。我們生活中較常見的該類型消能器是自行車減振系統,當然,建筑中所使用的跑得快型消能器的塊頭要比自行車大得多。


圖3 速度相關型消能器在建筑中的應用

    跑得快型消能器主要分為兩種:黏滯消能器和黏彈性消能器,前者主要通過高黏性液體中的活塞運動或平板運動將地震能量轉化為熱能等其他形式;后者則主要通過黏彈性材料的剪切變形耗能。

    鑒于后者的材料性能受環境溫度及荷載頻率等因素影響較大,使得黏彈性消能器的設計參數存在一定不確定性,同時,薄層狀的黏彈性材料剪切變形能力有限,不適用于大變形的抗震結構中,所以在國內采用消能減震技術的建筑中應用比例不高。


圖4 跑得快型消能器(速度相關型消能器)分類

    常見的跑得快型消能器由于其依靠高黏性液體(如硅油)提供阻尼的特性,該類型消能器在工作時并不改變原有體系的結構周期,而是僅僅增加原結構的阻尼。從加速度反應譜和位移反應譜來看,在“有關部門”預測的地震君光臨人數不變(地震影響系數及場地特征周期不改變)、房子自身接待能力不變(結構剛度不改變)的情況下,增加的結構阻尼有效降低了房子的接待需求,同時,也提高了接待過程中的舒適度(減小結構位移),這也就大大提高了房子天長地久的可能性。


(2)走得遠型消能器(位移相關型消能器)

    該類型消能器消耗地震能量的能力主要同設備所安裝位置的相對位移有關系,在其正常工作的情況下,消能器兩端的相對位移越大,則所提供的耗能能力越大。還是舉自行車的例子吧,自行車的剎車即是走得遠型消能器的一種,同樣,建筑用的位移相關型消能器也是一個大塊頭。


圖5 位移相關型效能器在建筑中的應用

    走得遠型消能器的核心構件通常由塑性變形性能好的材料做成,如低屈服點鋼材或鉛等,在地震作用下通過自身優異的塑性滯回性能來耗散地震能量。較為常見的有金屬剪切消能器、金屬彎曲消能器、屈曲約束支撐、鉛消能器及摩擦型消能器等形式。


圖6 位移相關型效能器分類

    走得遠型消能器由于其依靠金屬自身變形能力提供阻尼的特性,設置該類型消能器將在一定程度上增大原有體系的結構剛度,從而縮短了結構周期,而不僅僅是增加原結構的阻尼。從加速度反應譜和位移反應譜來看,在前述地震君光臨人數不變的情況下,房子的接待需求有所降低,但降低的效率則遜于跑得快型消能器,而在提高接待舒適度方面(減小結構位移)的效率則優于跑得快型消能器。

    當房子mm和地震君的結合是通過消能減震時,不同的途徑會存在大相徑庭的困擾。

(1)跑得快型消能器(以常見的黏滯消能器為例)

    首當其沖就是體檢周期(設計使用年限)不同步的問題,黏滯消能器的體檢周期為30年,其可能漏油的缺點也增加了定期體檢的必要性,而房子的體檢周期一般為50年,對于那些是為公共大眾服務的房子來說,定期體檢是個相對容易解決的問題,但對于私屬房子,不同步的體檢周期則會對采用了黏滯消能器的房子產生一些困擾。

    其次,好鋼要用在刀刃上,黏滯消能器最擅長的是降低當地“有關部門”對于房子的最低需求(地震作用),結合時注意用其所長,去其所短。同時,應注意的是,如果給該類型消能器預留的位置不合適(如兩點相對速度較低),則使用效果也會大打折扣。


圖7 位置不同 效率不同

     第三點則是黏滯消能器面對不同強度的地震君時,所能夠提供的接待能力(阻尼耗能)也是不同的,對于強度低的地震君接待能力最強,對于強度高的地震君接待能力最弱,不過它的好處是隨時都在工作,即使只是刮風。

(2)走得遠型消能器

    該類型消能器主要是靠金屬變形來工作,那么不管最終能走多遠,金屬畢竟不是橡皮泥,變形總是有限的,從金屬剛剛開始屈服到最終達到變形極限這段路程就是該類型消能器所能提供的最大接待能力,再提高要求那就真的是臣妾做不到了,所以為了保證大震下消能器仍能正常工作,有時候會要求在小震下該類型消能器僅提供剛度即可。


圖8 金屬變形消能示意

    另一方面,多次往復的金屬變形會使得消能器存在疲勞破壞的可能性,這類似于我們將一根鐵絲折斷的過程,因此,位移型消能器應盡量避免在風荷載作用下即進入屈服狀態的情況發生。
當然,減震的兩種途徑還存在些共性要求,例如,由于接待能力的高低受房子的變形影響較大,因此對于消能器被安排常住的位置需要有一定的選擇性,這也就反過來影響到了房子的格局和布置方式。
相對而言,隔震是適應能力較強的一種結合方式,從新建房子到歷史房子、從砌體房子到混凝土房子、從辦公房子到商業房子、……,均有可能通過隔震與地震君碰撞出火花來,當然,這種結合只是降低而不是取消了邁入婚姻殿堂的門檻,所以我們還是需要單方面的做些約定。
    (a)隔震的結合方式偏好于矮胖型(H/B≤4)的房子mm,這樣,盡管隔震支座連接的水平剛度及豎向抗拉剛度較弱,但搖擺起來的時候,敦實的妹子總是可以站的很穩健,這其實就像在沒有扶手的地鐵里機器貓總是要比大雄站的更穩些。另一方面,由于隔震支座豎向抗壓剛度大,這就使得它并不能起到隔離豎向地震的作用,相反,在某些情況下,反而放大了豎向地震的效果。此外,風的影響也需要考慮的因素之一,需有必要的措施防止發生隨風起舞的情況。
    (b)婚房不宜修建在太軟的土層上,軟土將放大長周期房子的地震作用,而隔震房子卻正是拉長了房子的周期,所以當地震君光臨時,軟土地基反而不利于提升房子的接待能力。
    (c)隔震房子將搖擺運動轉化為整體平動后會帶來一個很現實的問題,那就是隔震層上部房子的整體變形將加大,而隔震層一般均設置在建筑首層處,這使得隔震層上下的變形差較大,隨之而來的則是各種限制條件,管線是需要軟連接的、電梯和樓梯是需要上下脫開的、隔震支座是需要防火的、周邊要預留變形空間的等等,相對而言,隔震房子的設計要求全面提高,對應的成本也有所增加,當然,在高烈度地區應用時,有可能土建成本的減量會抵消隔震設計對應的成本增量。

 
 
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