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               【技术服务】 结构减震技术

     建筑在传统抗震技术之后,又出现减隔震技术,大体可以划分如下:
 
图1 抗震技术分类

     减震则是在传统抗震的基础上增加适当的耗能系统,少量布置的阻尼器耗散了大量的地震能量,使得传统结构的负担大大减小,从而降低了房子的损伤程度。
    减震适用范围较广,除砌体结构外,其他结构均可采用,结构的类型和高度均不受限制。
 

图2 减震建筑

    这就相当于传统意义上的房子雇佣了一位专业服务生,当地震君们登门的时候,主人多了一个接待的帮手,自然压力也就大大减轻了。
    减震的实现途径其实也是比较多的,例如消能减震、调谐质量减震、主动控制减震等,台北101大厦楼上有只著名的金色铁球,就属于看起来比较漂亮的调谐质量减震的一种。但由于减震的实现方式和成本问题,大部分形式的减震技术都属于王谢堂前燕,很少飞入寻常百姓家,所以,考虑到我们日常生活中大部分的房子都属于囊中羞涩型,我们这里主要介绍一种成本相对不高的减震方式——消能减震

    消能减震主要有跑得快(速度相关型消能器)和走得远(位移相关型消能器)两大类。

(1)跑得快型消能器(速度相关型消能器)

    顾名思义,其消耗地震能量的能力主要同所安装位置的相对速度有关系,在其正常工作时,消能器两端的相对速度越大,其所提供的耗能能力也越大。我们生活中较常见的该类型消能器是自行车减振系统,当然,建筑中所使用的跑得快型消能器的块头要比自行车大得多。


图3 速度相关型消能器在建筑中的应用

    跑得快型消能器主要分为两种:黏滞消能器和黏弹性消能器,前者主要通过高黏性液体中的活塞运动或平板运动将地震能量转化为热能等其他形式;后者则主要通过黏弹性材料的剪切变形耗能。

    鉴于后者的材料性能受环境温度及荷载频率等因素影响较大,使得黏弹性消能器的设计参数存在一定不确定性,同时,薄层状的黏弹性材料剪切变形能力有限,不适用于大变形的抗震结构中,所以在国内采用消能减震技术的建筑中应用比例不高。


图4 跑得快型消能器(速度相关型消能器)分类

    常见的跑得快型消能器由于其依靠高黏性液体(如硅油)提供阻尼的特性,该类型消能器在工作时并不改变原有体系的结构周期,而是仅仅增加原结构的阻尼。从加速度反应谱和位移反应谱来看,在“有关部门”预测的地震君光临人数不变(地震影响系数及场地特征周期不改变)、房子自身接待能力不变(结构刚度不改变)的情况下,增加的结构阻尼有效降低了房子的接待需求,同时,也提高了接待过程中的舒适度(减小结构位移),这也就大大提高了房子天长地久的可能性。


(2)走得远型消能器(位移相关型消能器)

    该类型消能器消耗地震能量的能力主要同设备所安装位置的相对位移有关系,在其正常工作的情况下,消能器两端的相对位移越大,则所提供的耗能能力越大。还是举自行车的例子吧,自行车的刹车即是走得远型消能器的一种,同样,建筑用的位移相关型消能器也是一个大块头。


图5 位移相关型效能器在建筑中的应用

    走得远型消能器的核心构件通常由塑性变形性能好的材料做成,如低屈服点钢材或铅等,在地震作用下通过自身优异的塑性滞回性能来耗散地震能量。较为常见的有金属剪切消能器、金属弯曲消能器、屈曲约束支撑、铅消能器及摩擦型消能器等形式。


图6 位移相关型效能器分类

    走得远型消能器由于其依靠金属自身变形能力提供阻尼的特性,设置该类型消能器将在一定程度上增大原有体系的结构刚度,从而缩短了结构周期,而不仅仅是增加原结构的阻尼。从加速度反应谱和位移反应谱来看,在前述地震君光临人数不变的情况下,房子的接待需求有所降低,但降低的效率则逊于跑得快型消能器,而在提高接待舒适度方面(减小结构位移)的效率则优于跑得快型消能器。

    当房子mm和地震君的结合是通过消能减震时,不同的途径会存在大相径庭的困扰。

(1)跑得快型消能器(以常见的黏滞消能器为例)

    首当其冲就是体检周期(设计使用年限)不同步的问题,黏滞消能器的体检周期为30年,其可能漏油的缺点也增加了定期体检的必要性,而房子的体检周期一般为50年,对于那些是为公共大众服务的房子来说,定期体检是个相对容易解决的问题,但对于私属房子,不同步的体检周期则会对采用了黏滞消能器的房子产生一些困扰。

    其次,好钢要用在刀刃上,黏滞消能器最擅长的是降低当地“有关部门”对于房子的最低需求(地震作用),结合时注意用其所长,去其所短。同时,应注意的是,如果给该类型消能器预留的位置不合适(如两点相对速度较低),则使用效果也会大打折扣。


图7 位置不同 效率不同

     第三点则是黏滞消能器面对不同强度的地震君时,所能够提供的接待能力(阻尼耗能)也是不同的,对于强度低的地震君接待能力最强,对于强度高的地震君接待能力最弱,不过它的好处是随时都在工作,即使只是刮风。

(2)走得远型消能器

    该类型消能器主要是靠金属变形来工作,那么不管最终能走多远,金属毕竟不是橡皮泥,变形总是有限的,从金属刚刚开始屈服到最终达到变形极限这段路程就是该类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,所以为了保证大震下消能器仍能正常工作,有时候会要求在小震下该类型消能器仅提供刚度即可。


图8 金属变形消能示意

    另一方面,多次往复的金属变形会使得消能器存在疲劳破坏的可能性,这类似于我们将一根铁丝折断的过程,因此,位移型消能器应尽量避免在风荷载作用下即进入屈服状态的情况发生。
当然,减震的两种途径还存在些共性要求,例如,由于接待能力的高低受房子的变形影响较大,因此对于消能器被安排常住的位置需要有一定的选择性,这也就反过来影响到了房子的格局和布置方式。
相对而言,隔震是适应能力较强的一种结合方式,从新建房子到历史房子、从砌体房子到混凝土房子、从办公房子到商业房子、……,均有可能通过隔震与地震君碰撞出火花来,当然,这种结合只是降低而不是取消了迈入婚姻殿堂的门槛,所以我们还是需要单方面的做些约定。
    (a)隔震的结合方式偏好于矮胖型(H/B≤4)的房子mm,这样,尽管隔震支座连接的水平刚度及竖向抗拉刚度较弱,但摇摆起来的时候,敦实的妹子总是可以站的很稳健,这其实就像在没有扶手的地铁里机器猫总是要比大雄站的更稳些。另一方面,由于隔震支座竖向抗压刚度大,这就使得它并不能起到隔离竖向地震的作用,相反,在某些情况下,反而放大了竖向地震的效果。此外,风的影响也需要考虑的因素之一,需有必要的措施防止发生随风起舞的情况。
    (b)婚房不宜修建在太软的土层上,软土将放大长周期房子的地震作用,而隔震房子却正是拉长了房子的周期,所以当地震君光临时,软土地基反而不利于提升房子的接待能力。
    (c)隔震房子将摇摆运动转化为整体平动后会带来一个很现实的问题,那就是隔震层上部房子的整体变形将加大,而隔震层一般均设置在建筑首层处,这使得隔震层上下的变形差较大,随之而来的则是各种限制条件,管线是需要软连接的、电梯和楼梯是需要上下脱开的、隔震支座是需要防火的、周边要预留变形空间的等等,相对而言,隔震房子的设计要求全面提高,对应的成本也有所增加,当然,在高烈度地区应用时,有可能土建成本的减量会抵消隔震设计对应的成本增量。

 
 
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