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[转]摩擦摆型隔震  

2012-05-17 09:53:48|  分类: 减隔震 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 日志原文:http://blog.sohu.com/people/!bXF1emhlQHNvaHUuY29t/108104920.html

 

    首先来看美国加州奥克兰的一个天主教堂。众所周知,加州是地震危险性很高的地区,仅20世纪就曾发生过多次惨重的大地震,1994年的北岭地震在地震工程界更是无人不知。下面是美国IBC(2006)规范规定的全美地震区划图,被密密麻麻的等高线覆盖的西海岸大致就是狭长的加州,而图中的小黄点就是奥克兰的所在。在如此高烈度的地区设计建筑结构,不得不考虑的一个重要安全因素就是地震作用,并且是非常高的地震作用。美国人,或者更准确的说是加州人在这方面很近乎变态,据说加州地区的最大考虑地震(MCE)的最大谱加速度可高达9倍的重力加速度。而我国八度地区的弹性谱最高也不超过1倍的重力加速度。当结构设计需要考虑如此巨大的地震作用时,建筑师恐怕要碰不少钉子了。建筑师与结构师之间的斗争似乎是世界性难题。建筑师们随意挥洒的想法总让结构师们头痛不已,而当地震的威胁足以影响业主的决定时,建筑师往往不得不向结构师妥协,换句话说,地震危险性进一步剥夺了建筑师们本来就挺可怜的创作自由。
    然而就是在如此高烈度的奥克兰市,由木框架和玻璃幕墙建起了一座美丽而神圣的天主教堂——The Cathedral of Christ the Light。虽然这算不上什么大工程,但正如它的名字一样,这个教堂的灵魂在于光,教堂的设计希望尽可能的轻盈与通透,以在室内营造具有丰富光影效果的明亮空间。这虽然与安藤先生的光の教堂志趣迥异,但也不失为对于光与教堂的另一种诠释。如果这位建筑师是在加州的土地上成长起来的,他被这个灵感击中去最关心的一件事儿恐怕就是结构工程师的意见了。这可行吗?这一次结构师的回答是,可行。而隐藏在其后的结构玄机,正是隔震技术。

摩擦摆型隔震


摩擦摆型隔震

开始搭建木框架
 

摩擦摆型隔震

木框架完工
 

摩擦摆型隔震

开始安装玻璃幕墙
 

摩擦摆型隔震

玻璃幕墙完工
 

摩擦摆型隔震

内部空间
(以上关于教堂的图片均来自教堂主页:http://www.christthelightcathedral.org/

 

    隔震技术的基本思想之前已经介绍过了。日本目前拥有世界上最多的隔震建筑,尤其是最近30年,全日本共约在2000栋公共建筑和3000栋住宅建筑中使用了隔震技术。我想这应该可以超过世界其他地区隔震建筑数量的总和了。而这座教堂采用的隔震装置,对于日本的工程师来说却是新玩艺儿——摩擦摆型隔震垫(Friction Pendulum Isolator)。其原理类似于单摆,如下图所示。左边是单摆,当摆锤偏离平衡位置后,其重力的法线分量成为它的恢复力。摆型隔震是将建筑物支撑在一个内凹孤面上,像下面的右图那样。弧底是平衡位移,当建筑物在水平地震作用下偏离平衡位置时,它的重力开始提供恢复力。滑块儿与弧面之间的摩擦一方面控制起滑条件,另一方面在滑动过程中可能耗散地震输入能量。 

摩擦摆型隔震


    与日本和我国目前大量使用的叠层橡胶隔震垫相比,这种摆型隔震垫的一个显著特点是其隔震周期几乎只与弧面的半径有关,而几乎与上部结构的重量无关,这就像单摆的摆动周期只与其臂长有关一样。延长结构周期以避开地震输入能量比较集中的频段是隔震技术的基本原理。当使用橡胶隔震垫时,要根据上部结构的刚度和质量来设计隔震层的刚度,而如果使用摆型隔震,只要选择合适的弧面半径,就可以获得希望的振动周期,而不用再考虑上部结构。这使得它具有更加广泛的适用性,设计起来也更加方便。下面是实际的摆型隔震垫的图与照片。中间是一个超大的隔震垫。从右边的照片上看这种隔震垫与橡胶隔震垫相比要薄得多。
 摩擦摆型隔震
(以上两图来自Earthquake Protection Systems主页:http://www.earthquakeprotection.com/index.html
    据介绍,采用这种隔震技术,在建筑结构中仍会增加一些结构造价,但结构造价与整个建筑的成本相比实在不算大头儿,并且大大改善了结构性能。在桥梁结构中,采用这种隔震技术往往能够在提高性能的同时大幅降低造价。更重要的是,隔震技术把被地震威胁夺走的建筑自由性还给了建筑师。不夸张的说,采用隔震技术应该是目前为止最有效也是最简便的实现基于性能的抗震设计的方法。

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