1、建筑抗震技术介绍,姚立民 建筑工程学院 2013年10月,渭南职业技术学院,报告内容提要,一、地震的破坏作用,二、传统抗震技术,三、新型抗震技术,渭南职业技术学院,一、地震的破坏作用,渭南职业技术学院,地下岩层发生断裂、错动形成地震,渭南职业技术学院,由于建筑物依附在地球表面，建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。简单地说，建筑物破坏有三种方式：上下颠簸、水平摇摆、左右扭转。多数的时候，还是三种方式的复合作用。 地震波的传播方式有纵波、横波，由于地球表层岩性的复杂性，传播过程中也会出现像激流中“旋涡”一样的复杂情况,渭南职业技术学院,纵波 地震时首先到达地面的波是纵波。这种波使建筑

2、物上下颠簸，力量非常大，建筑物来不及跟着运动，导致底层柱子和墙突然增加很大的动荷载，叠加建筑物上部的自重压力，若超出底层柱、墙的承载能力，柱、墙就会垮掉。底层垮掉后，上面几层建筑的重量就像锤子砸下来一样，又压坏第二层，发生连续倒塌，整个建筑物直接“坐”下来，原来的第三层瞬间变为第一层 横波 在纵波之后到达地面的是横波。它可引起地面水平晃动，传播较慢，减弱也较慢，传播的距离也远些。所以，在震中区，先是感到地面激烈的上下跳动，然后才是水平晃动。离震中较远的地方，上下跳动就不如水平晃动那么明显。离震中更远的地方，往往只能感到水平晃动了。与纵波不同，横波只能在固体中传播，不能在液体中传播,渭南职业技术

3、学院,破坏建筑物的第三种作用方式是扭转。引起扭转的原因是有的地震波本身就是打着“旋儿”过来的，也有的情况是因为地震波到达建筑物两端早晚的时间差引起的，这种情况引起建筑物扭动。震区有的房子角部坍塌，多属这种情况。 此外，每栋建筑都有自己特定的自震频率，如果这个频率与地震作用的频率接近，还会引起类似共振的效用，那样带来的破坏力就更可怕了,渭南职业技术学院,根据国家地震局研究得出的相关数据，我国将建筑抗震设防烈度的区域划分为6度区、7度区、8度区、9度区4个等级。北京为8度区，也就是要求建筑物抗震设防烈度为8度。地震级数是指地震的能量，而烈度是指地震的破坏程度。二者不太容易进行科学地换算，如果进行简

4、单换算的话，设防烈度为8度的建筑大约相当于能够抵抗里氏6.5级的地震,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,我国一般建筑中通常采用传统的抗震技术，属于被动型抗震，也就是完全靠抗震结构构件的刚度来抵抗地震。采用这种抗震技术，当地震来临时，随着建筑物晃动，抗震构件之间会发生裂缝，这些裂缝会消耗一部分地震能量，从而减少对建筑物的破坏，它的代价就是结构会发生损坏，需要地震过后进行修复。这种抗震技术一旦遇到超过设防烈度的地震，有可能会引起梁、柱断裂，建筑物倒塌的严重后果。 按照建筑抗震设计规范，抗震设计的基本理念是“大震不倒、中震可修、小震不坏”。也就是要求建筑在发生较小强度地震时，结构不允许发生任何破损

5、。在发生设防烈度的地震时，允许结构构件发生损坏，地震后经过结构修复，建筑物仍能够继续正常使用。当发生罕见的超过设防烈度的大地震时，建筑物可能内部损坏比较严重，结构无法修复，但要求尽量保证建筑不倒塌、不伤人。然而，在实际地震中，房倒屋塌的现象一再出现，其结果值得深思,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.1 正确选择建设场地 选择：地势开阔平坦，土质坚实、 稳定、均匀地带； 远离：地震断裂带、古河道、河流、 湖泊、池塘岸边、山顶、陡坡、 软弱、软硬不均地段,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.2 打牢地基 2.2.1 素土夯实法 挖至老土层，再分层回填夯实， 每层虚铺厚度20-30公分,渭

6、南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.2.2 灰土法 体积比2:8或3:7 手握成团，落地开花 分层夯实,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.2.3 湿陷性黄土地基处理 灰土换填，分层夯实,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.3 基础做法 2.3.1 砖砌基础,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.3 基础做法 2.3.2 钢筋混凝土基础,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.3.3 毛石基础,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.3.3 毛石基础,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4 提高主体结构抗震性能 2.4.1 砖混结构房屋,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.

7、4.1.1 平立面布局合理 （1）高宽比合理,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.1 平立面布局合理 （2）抗震横墙间距,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.1 平立面布局合理 （3）层高要求,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.2 承重墙砌筑 （1）厚度 （2）砖强度 （3）砂浆,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.2 承重墙砌筑 （4）墙体局部长度 （5）砌筑质量,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.3 构造柱的设置 （1）构造柱的位置 外墙四角、大房间四角、 内外墙交接处,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.3 构造

8、柱的设置 （1）构造柱的位置 楼梯间四角、 大洞口两边、女儿墙,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.3 构造柱的设置 （2）构造柱的做法 与基础圈梁连接、截面尺寸,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.3 构造柱的设置 （2）构造柱的做法 纵筋直径、箍筋间距、 柱端箍筋加密,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.3 构造柱的设置 （2）构造柱的做法 先砌墙后浇柱、 墙体留马牙槎、 拉结钢筋,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.3 构造柱的设置 （3）墙体交接处的连接 7-9度设防区，拉结筋间距0.5米,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.

9、4 圈梁和过梁的设置 （1）圈梁 位置,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.4 圈梁和过梁的设置 （1）圈梁 钢筋直径、箍筋间距,七度设防,八度设防,九度设防,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.4 圈梁和过梁的设置 （1）圈梁 圈梁部位： 所有纵横墙基础顶部、 所有纵横墙楼屋盖处、 与构造柱对应的部位、 楼梯间每层设圈梁,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.4 圈梁和过梁的设置 （1）圈梁 间距、截面尺寸（宽度同墙宽,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.4 圈梁和过梁的设置 （2）过梁 搁置长度,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.

10、5 屋盖、楼盖与墙体的连接,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.1.6 楼梯的构造与做法 设置位置、构造柱、 圈梁、踏步,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.2 框架结构房屋,渭南职业技术学院,二、传统抗震技术,2.4.2 框架结构房屋 框架结构的抗震技术比较复杂，除了建设场地选择、地基处理、基础形式、建筑平立面布局、构造柱设置等要求之外，还包括结构抗震计算、构件配筋率、钢筋锚固与连接、钢筋力学性能、梁柱节点构造措施等。 框架结构的梁、柱按照塑性铰设计，遵循的原则是：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强锚固。通过这样的措施可以吸收部分地震能量，减少地震损失，力求实现“大震不倒，中震可

11、修，小震不坏”的抗震设防目标,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,传统抗震技术的优点是构造简单，技术要求低；缺点则是以增大结构刚度来抵抗地震破坏，以结构构件破坏为代价消耗地震能量，在地震中可能造成建筑物垮塌的严重后果，震后的建筑物修复加固费用也非常巨大。传统抗震技术随着建筑物高度的增加，其适用性越来越差。因此，在高层建筑中，传统抗震技术正逐渐被新型抗震技术取代,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.1 建筑隔震技术 隔震技术是将过去传统的“硬抗”技术转变为“软抗”，采用基础隔震技术将建筑物的上部结构和基础“隔开”。所谓“基础隔震”，是在建筑物底部与地基之间，增加适当的缓冲物，使建筑物在受到地

12、震波作用后的加速度反应大大减弱，同时让建筑物的位移主要由隔震系统承担，从而使建筑物在地震中产生的变形非常小，以达到防护目的。一般来说，基础隔震机构的地震反应只是抗震结构的14112，大大提高了结构的安全度,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.1 建筑隔震技术,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.1 建筑隔震技术 目前应用较多的基础隔震元件是叠层橡胶支座。叠层橡胶支座是由一层钢板一层橡胶层层叠合起来的，并经过加工将橡胶与钢板牢固地结合在一起。采用叠层橡胶支座的建筑物，设防目标一般可以提高一个设防等级。传统建筑的设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，而设计合理的基础隔震建筑通常能做到

13、“小震不坏，中震不坏或轻度破坏，大震不丧失功能,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.1 建筑隔震技术 叠层橡胶支座作为基础隔震系统最初是在1965年用于伦敦地铁车站上面的建筑，采用多层橡胶支座防止了地铁的振动传给上部建筑物。随后，这种基础隔震技术在国内外得到实际应用，取得很好的防震减灾效果。 例如，1994年1月17日，在美国发生的洛杉矶地震，震级为6.7级，伤亡超过7000人，损失很大。大多数医院因建筑内部设备损坏而失去使用功能。与此相反，南加州大学医院是一个地下一层、地上七层的隔震建筑。地震中该建筑内的各种仪器设备

14、均未损坏，甚至花瓶也没有一个掉下来。之后的1995年1月17日，日本发生了7.2级“阪神”地震。震区内有两栋基础隔震建筑，一个为邮政楼，一个是研究所。同样神奇的是，基础隔震建筑不仅结构保持完好无损，内部设施也完全正常。 我国广东省汕头市陵海路有一座8层住宅楼，它建成于1993年，不仅是中国第一幢橡胶支座隔震房屋，也是当时世界上最高、最大的基础隔震住宅楼。它虽没有直接经受过地震的考验，但也间接验证了隔震建筑的不同寻常。2006年12月26日，发生在台湾海域的强震也同样撼动了南粤大地，市民普遍有感，而隔震楼中的居民却完全没有感觉到晃动,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.1 建筑隔震技术 我国

15、的建筑抗震设计规范(2001年)在基础隔震设计目标上规定：在遭受小强度地震影响时，建筑结构基本不受损坏和影响使用功能；当遭遇设防烈度的地震影响时，不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，将不发生危及生命安全和丧失使用功能的破坏。 叠层橡胶隔震支座的缺点是，只具有隔离水平地震的功能，对竖向地震没有隔震效果，特别是对于高层及超高层结构的隔震效果不大。 目前，除了研究和应用较多的叠层橡胶支座隔震技术外，还有砂垫层隔震、石墨垫层隔震、摩擦滑移支座隔震及橡胶隔震支座与摩擦滑移支座并联复合隔震技术等,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.1 建筑隔震技术 独户、古旧建筑与高层楼房

16、相比整体重量轻。有效的抗震方法是在建筑物与地基之间加上球型轴承或是滑动体，形成一个滚动式支撑结构，这样可减轻地震造成的摇动。 美国硅谷兴建的一座电子工厂大厦，在建筑物每根柱子或墙体下安装不锈钢滚珠，由滚珠支撑整个建筑，纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定起来，发生地震时，富有弹性的钢梁会自动伸缩，于是大楼在滚珠上会轻微地前后滑动，可以大大减弱地震的破坏力,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.2 消能减震技术 地震中建筑物的节点处受力最大，破坏也最严重，因此在建筑物节点处设置阻尼器的消能减震技术也应运而生。 在物理学上，能够造成自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，称为“阻尼”。安置在建筑

17、结构系统上的阻尼装置，可以提供阻力来耗减地震能量，称为“阻尼器”。这种阻尼器用在建筑物的某些关键点上，可大量消耗地震输入到建筑物的能量，保护主体结构免遭破坏。 阻尼器主要分为位移相关型、速度相关型及其他类型。粘弹性阻尼器、粘滞流体阻尼器、粘滞阻尼墙、粘弹性阻尼墙等属于速度相关型，即阻尼器对结构产生的阻尼力主要与阻尼器两端的相对速度有关，与位移无关或与位移的关系为次要因素；金属屈服型阻尼器、摩擦阻尼器属于位移相关型，即阻尼器对结构产生的阻尼力主要与阻尼器两端的相对位移有关，当位移达到一定的起动限值才能发挥作用。摩擦阻尼器属于典型的位移相关型阻尼器，但是有些摩擦阻尼器有时候性能不够稳定此外，还有其

18、它类型的阻尼器如调频质量阻尼器(TMD)、液压质量振动系统(HMS)和调频液体阻尼器(TLD)等,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.2 消能减震技术 目前，应用较多的阻尼器为粘滞液体阻尼器。这种消能减震的阻尼器具有保持建筑原貌、效果明显、节约经费和缩短工期等优点。 粘滞液体阻尼器是在美国发展起来的，随后日本、中国等国学者也开展了相关研究。随着对粘滞液体阻尼器性能研究的深入，己有一些建筑物成功应用了这种高效阻尼器，涉及到高层建筑、高耸结构、桥梁、体育馆、海洋石油平台甚至卫星发射塔等。 1994年美国一个医疗中心安装了200多个粘滞流体阻尼器。意大利一座长1000米、重25000多吨的桥梁的

19、每个桥台下安装了一个粘滞流体阻尼器，每个阻尼器重2吨，长2米，活塞杆的行程达500毫米，能提供500吨的力，耗散2000千焦的能量。加拿大多伦多的Pearson机场的控制塔在2003年安装粘滞阻尼器以减小结构的风振效应。美国2002年建造的Boise机场也应用粘滞阻尼器来增强结构抵抗地震的能力。日本一幢23层建筑中安装了241个这种阻尼器。其中泰勒Taylor公司的粘滞液体阻尼器已经在世界上130多个建筑工程、30多座桥梁工程中得到实际应用,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.2 消能减震技术 国内首先进行这方面应用的是中国建筑科学研究院，利用国外生产的阻尼器对北京饭店进行了加固。1999

20、年北京火车站抗震加固中因加固场地和正常使用等要求的限制，无法采用传统的增设抗震墙的加固方案，因而采用了粘滞液体阻尼器进行加固，使得原结构的阻尼比从5提高到了约20，从而将大震下的层间位移降低到允许的范围内。2000年，在中国历史博物馆采用了法国Jarret公司生产的粘滞阻尼器进行抗震加固。上海市新建的世茂国际广场、同济大学的综合楼、秦山核电站的热交换器均采用了粘滞阻尼器进行消能减震。郑州会展中心安装了144个粘滞液体阻尼器以减少观众台的振动，上海港汇广场商务楼、上海石油化工研究院的物化楼及办公楼、北京展览中心、宿迁建设大厦等建筑均采用了粘滞阻尼器进行抗震加固。南京长江三桥为新建的斜拉大桥，也在

21、引桥上安装54个吨位为1500kN、行程为120mm的粘滞液体阻尼器，抵抗地震荷载和其他桥梁振动影响,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3.2 消能减震技术 粘滞阻尼器是一种速度相关型阻尼器。常见的粘滞阻尼器有三种：筒式粘滞流体阻尼器、粘滞阻尼墙和杆式粘滞流体阻尼器。 (1)筒式粘滞流体阻尼器 筒式粘滞流体阻尼器由大小两个圆筒组成，大筒固定在下层楼面，内装诸如硅凝胶体等高浓度、高粘滞性的流体材料，小筒浸泡在大筒的粘滞材料中，并固定在上层楼板或其梁底。大筒上口和小筒顶板之间设有密封装置。这种阻尼器利用粘滞液体阻碍大小圆筒沿任意方向相对运动，从而达到减震的目的,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术

22、,2)粘滞阻尼墙 粘滞阻尼墙是一种箱式的粘滞阻尼器，多在框架结构中应用，在某些情况也起到隔墙的作用，所以称为阻尼墙，其耗能方向是平面方向。粘滞阻尼墙最早由日本公司始创。在粘滞阻尼墙中的活塞是一块钢板，该钢板只能在平面内运动，由外板围成的容器内装有粘滞流体。在结构中，其内钢板(活塞部分)固定于上层楼面，其外板(容器部分)则与下层楼面连接。地震作用下，楼层产生层间位移从而使粘滞阻尼墙里的流体被剪切，地震输入的能量得到耗散。 粘滞阻尼墙虽然能提供很大的阻尼力，减震效果也非常好，但由于造价高，所以其应用受到了限制,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,3)杆式粘滞流体阻尼器 杆式粘滞流体阻尼器，当其中的

23、流体受外界扰动流过孔隙时产生阻尼力，从而耗散外界输入的能量。这类阻尼器的结构构造主要沿用机械液缸的构造，由活塞杆、活塞、油缸、粘滞流体等构成。依据活塞杆的构造不同可分为单杆式和双杆式；依据活塞上耗能构件的构造不同又可分为孔隙式、间隙式和混合式,渭南职业技术学院,渭南职业技术学院,渭南职业技术学院,渭南职业技术学院,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,其他新型抗震技术： 抗震房屋裂纹自动愈合技术 据生活科学19日报道，英国科学家目前正在希腊的一处山坡上建造一种特殊的房屋，它能在地震中“自我愈合”。作为利用纳米聚合体粒子研发特殊墙体的带头人，英国利兹市的“纳米制造业协会”在欧盟的资助下正在研究这种

24、“自愈”的墙体。据称，这种墙体在压力(地震期间)的挤压下，纳米聚合粒子将流入裂缝中并变硬，形成固体材料，从而对房屋的裂缝进行自动填补,渭南职业技术学院,三、新型抗震技术,其他新型抗震技术： 智能防震技术 这种技术将生物工程原理应用在建筑工程中。其灵感来自人体平衡系统：人类以肌肉系统平衡身体，大脑和肌肉密切合作，控制身体平衡。智能防震建筑也是一样，装在建筑里的感应器把讯息传给电脑，电脑和液压与配重系统连接，通过高速计算机运算，能在最短的时间里对地面摇动产生最佳的平衡调整。 日本、台湾、上海已经安装这项技术的第一代。其中最关键的部件就是调谐质量阻尼器。台北101大厦在地上第88层安装有这种质量阻尼器。感应器在地震时会把信息传给中央电脑，电脑会启动液压系统，在轨道上移动大质量金属块在水平两个方向进行配重，调整建筑物重心，使其保持平衡,渭南职业技术学院,渭南职业技术学院,结束语： 未来建筑随着高度的增加，结构体系越来越复杂，受力分析难度越来越大，而地震对建筑的风险也在加大，现有抗震技术将很难满足各种新型建筑的抗震要求。因此，随着时代发展，建筑抗震技术也需要不断发展,渭南职业技术学院,谢谢大家