建造地震中的安全岛 ——以柔克刚、另辟新径的工程隔减震与振动控制技术
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文章来源:中国地震局公共服务司(法规司) 上传时间:2021-05-12


周福霖院士广州大学工程抗震研究中心团队



引言:地震是人类面临的最主要自然灾害之一。土木工程是人类抵御地震的重要屏障。为了减轻土木工程的地震破坏,人类曾发明传统抗震技术。它虽可减少一定的倒塌概率,但不可避免会造成工程自身损害,对于保护工程内部重要构件与人员安全有一定的局限性。现代社会,人类又建立了“以柔克刚”理念为基础的工程隔减震与振动控制技术。工程隔减震与振动控制技术不仅能有效避免工程地震倒塌,还能很好地保护工程内部构件与人员的安全,使工程成为地震中的安全岛。

1. 灾害严重的基本国情

我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一,地震活动频率高、强度大、分布广。“城市高风险、农村不设防”的现状还没有根本改变,“小震致灾、中震大灾、大震巨灾”还偶有发生。这迫使我们要从一次次地震灾难中吸取教训,对原有的抗震设防要求和抗震技术体系进行反思和创新,有效防范地震灾害风险。

2.传统抗震技术的局限

传统抗震技术是在假设建筑遭遇一定烈度的地震,通过增大建筑构件刚度、加强建筑与基础连接,提高建筑直接抵御所假定烈度地震能力,同时允许内部构件发生一定破坏,最终达到避免地震倒塌的目的。简而言之即是“硬抗”!传统抗震技术虽然能避免一定程度的地震倒塌,但其却存在难以可靠避免超烈度地震倒塌、难以保护建筑内部构件和设备安全、难以保证建筑功能不丧失等问题。

3.工程隔减震与振动控制技术的减灾作用

地震的能量异常巨大,一次8.0级地震所释放的能量相当于5600颗广岛原子弹爆炸。对付这样狂暴无控的灾害敌人,“硬抗”总是有限的,“以柔克刚”或许是最佳甚至唯一的选择。工程隔减震与振动控制技术正是基于“以柔克刚”理念而建立起的新防震技术。

3.1 工程隔震技术

工程隔震技术就是在结构物底部或某层间设置由柔性隔震装置(例如,叠层橡胶隔震支座)组成的隔震层,形成水平刚度很小的“柔性结构”体系。地震时,上部结构“悬浮”在柔性的隔震层上,只做缓慢的水平整体平动,“隔离”从地面传至上部结构的震动使上部结构的震动反应大幅降低,从而保护建筑结构、室内装修和非结构构件、室内设备、仪器等不受任何损坏,使隔震结构在大地震中成为“安全岛”。与传统抗震结构相比,隔震结构有确保建筑结构地震安全、保持上部结构弹性乃至避免后期修复等突出优点。

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隔震体系与传统抗震体系的对比


3.2 工程消能减震技术

工程消能减震技术,就是把结构物的某些非承重构件(如支撑、剪力墙等)设计成消能构件,或在结构的某些部位(节点或联结处)安装耗能装置(阻尼器等),在风荷载或小地震时,这些消能杆或阻尼器仍处于弹性状态,结构物仍具有足够的侧向刚度,以满足正常使用要求。在中强地震发生时,随着结构受力和变形的增大,这些消能构件和阻尼器率先进入非弹性变形状态,产生较大阻尼,消耗输入结构的地震能量,使主体结构避免进入明显的破坏并迅速衰减结构地震反应,从而保护主体结构在强地震中免遭过度破坏。

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消能减震体系的减震机理


3.3 工程振动控制技术

工程振动控制技术,是指在结构的某个部位设置一些控制装置,当结构振动时,被动或主动地施加与结构振动方向相反的质量惯性力或控制力,迅速减小结构振动反应,以满足结构安全性和舒适性的要求。该技术主要是为满足高层建筑、超高层建筑、电视塔等高耸建筑结构的抗风、抗震要求。

4. 工程隔减震与振动控制技术在我国的应用

工程隔减震与振动控制技术应用于各类土木工程等,有些工程还成功经历地震考验。

【实例1】汕头澄海隔震住宅楼——工程隔震技术

该建筑是我国第一栋橡胶支座隔震房屋,是联合国工发组织(UNIDO)隔震技术国际示范项目,1993年建成使用。在1994年台湾海峡地震中安然无恙,内部居民毫无震感。

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我国第一栋橡胶支座隔震房屋,8层住宅


【实例2】北京通惠家园——工程隔震技术

该建筑隔震建筑面积48万平方米,是当年世界面积最大的层间隔震建筑群,采用三维隔减震体系,震振皆防。

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北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼

【实例3】芦山县人民医院——工程隔震技术

该建筑是2008年汶川地震援建医院。2013年芦山地震,该建筑结构和室内设备仪器完好无损,震后马上投入紧张繁重的医疗抢救工作,隔震门诊楼成为震后全县急救医院。

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芦山县人民医院隔震与抗震楼


【实例4】汶川第二小学——工程隔震技术

2013年芦山地震,该建筑地震反应只有相邻的抗震房屋地震反应的1/6~1/8,有隔震楼完好无损,犹如“安全岛”。


【实例5】昆明新机场隔震航站楼——工程隔震技术

该机场隔震建筑面积50万平方米,是目前世界最大的单体隔震建筑。2015年云南嵩明4.5级地震,该建筑楼面加速度反应仅为地面加速度反应的1/4,显示非常明显的隔震效果。

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昆明新机场隔震航站楼

【实例6】港珠澳大桥——工程隔震与消能减震技术

港珠澳大桥,长约26千米,桥梁采用隔震技术,是目前世界最长的隔震桥梁。试验表明,该技术使地震反应降低4/5,防震安全性大幅提高,能确保桥梁在大地震时的安全。

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  港珠澳大桥隔震体系及振动台试验

【实例7】广州塔——工程振动控制技术

该建筑是我国在超高层建筑中成功应用混合控制技术的典范。该塔建成后,经历了多次大台风的考验,实测有效减震30%~50%。

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广州塔混合控制

结语:工程隔减震与振动控制技术是四十年来地震工程领域的重大创新成果,是城乡建筑大幅提高地震安全性、防止地震破坏的有效途径,也是目前避免大地震灾难的技术选择!正如第14届国际隔震减震与控制大会上的国内外专家们所说:“工程结构,包括旧有结构,广泛采用隔震减震技术的时代来临了!”














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震级

地震作为一种自然现象,不同时间、不同地点发生的地震有大有小,大可以大到使房屋倒塌、山崩地裂,小可以小到人根本感觉不到,只有灵敏的仪器才能记录到。那么如何表示地震的大小呢?通常专业上用地震震级予以描述。地震震级是对一次地震所释放能力大小的定量表示。
地震震级是对地震能量大小的相对量度,简称震级,用M表示,用地震面波质点运动最大值(A/T)max进行测定。
计算公式为:M = lg(A/T)max+ σ(Δ)
式中:
A——地震面波最大地动位移;
T——相应周期;
σ(Δ)——量规函数,σ(Δ)=1.66lgΔ+3.5;
Δ——震中距。
在实际的地震监测工作中,一次地震的震级是根据多个地震台计算结果的平均值确定的。
国家标准GB 17740—1999《地震震级的规定》规定,各级地震工作部门或者机构提供地震信息时、新闻机构报道我国地震新闻时、各级政府发布地震预报与各级地震工作的部门或者机构在制定地震监测预报方案时、各级政府与各级地震工作的部门或者机构在制定防震减灾措施时以及社会应用均应使用M来表示地震震级 地震作为一种自然现象,不同时间、不同地点发生的地震有大有小,大可以大到使房屋倒塌、山崩地裂,小可以小到人根本感觉不到,只有灵敏的仪器才能记录到。那么如何表示地震的大小呢?通常专业上用地震震级予以描述。地震震级是对一次地震所释放能力大小的定量表示。
地震震级是对地震能量大小的相对量度,简称震级,用M表示,用地震面波质点运动最大值(A/T)max进行测定。
A——地震面波最大地动位移;
T——相应周期;
σ(Δ)——量规函数,σ(Δ)=1.66lgΔ+3.5;
Δ——震中距。
在实际的地震监测工作中,一次地震的震级是根据多个地震台计算结果的平均值确定的。
国家标准GB 17740—1999《地震震级的规定》规定,各级地震工作部门或者机构提供地震信息时、新闻机构报道我国地震新闻时、各级政府发布地震预报与各级地震工作的部门或者机构在制定地震监测预报方案时、各级政府与各级地震工作的部门或者机构在制定防震减灾措施时以及社会应用均应使用M来表示地震震级 地震作为一种自然现象,不同时间、不同地点发生的地震有大有小,大可以大到使房屋倒塌、山崩地裂,小可以小到人根本感觉不到,只有灵敏的仪器才能记录到。那么如何表示地震的大小呢?通常专业上用地震震级予以描述。地震震级是对一次地震所释放能力大小的定量表示。
地震震级是对地震能量大小的相对量度,简称震级,用M表示,用地震面波质点运动最大值(A/T)max进行测定。