隔震技术基本原理

隔震技术基本原理
引言
如今，由于地震频发，人们对建筑物的防震能力越来越为关注。

对于地震作用，在建筑物的结构设计上人们多以抗震设计为主，一种途径是通过降低建筑物结构底部刚度，减小地震对建筑物的作用效应，达到抗震的目的；另一种途径是加大构件截面，增强结构底部刚度，提高建筑物自身的抵抗能力，达到抗震的目的。

对于钢筋砼结构建筑，目前世界各国多是采用后一种途径进行抗震设计，这种方法有其成功之处，但却也有很多不足：（1）建筑物刚度越大，导致的工程总结也越高，但受地震作用的效应却更强；（2）建筑结构自身刚度无论多大，当受到强烈地震作用时，其抵抗能力仍是相当有限，不能做到“大震不坏”。

近年来，各专家学者通过对地震作用特点的研究，提出了建筑物隔震设计的构想，并付诸实施，证明了这种技术的安全性与经济性。

本人认为，“隔震设计”代表了未来建筑抗震设计的发展方向。

一、隔震技术及其基本原理
1.1隔震技术的发展
传统抗震结构主要利用结构主体结构抗侧力构件屈服后的塑性变形和耗能来耗散地震的能量，因此对这些区域的耗能性能要求特别重要。

一旦由于某些因素而导致这些区域产生问题，则就会严重的影响结构的抗震性能，甚至产生严重破坏。

在以往的结构抗震设计中，主要通过在结构设计中设置多道抗震设防线、选用耗能构件和对结构的刚度、承载力、延性的合理匹配来提高结构抗震性能。

隔震技术就是在此基础上发展起来的一门新兴学科，它能有效地吸收地震能量，减少结构的水平地震作用，从而消除或减轻结构和非结构的地震损坏，增强建筑物及内部设施和人员的地震安全性，提高建筑物的抗震能力。

与以往的建筑结构抗震设计，采用隔震技术的建筑物具有以下优点：（1）、提高地震时结构的安全性；（2）、设计自由度增大；（3）、防止内部物品的振动移动和翻到；（4）、防止非结构构件的破坏；（5）、抑制振动的不适感；（6）、可以保证机械器具的使用功能；
近代的基础隔震技术基本上可分为两大类,即弹性隔震和基础滑动隔震。

在弹性隔震中,叠层钢板橡胶垫隔震技术应用最多。

这类隔震方案主要是在房屋底层与基础顶面之间增设一个侧向刚度很低的隔震层,使在地震过程中整个结构体系的周期变长,变形集中在底层,上部结构基本上是刚性运动。

但主要用于隔震水平地震动,对于竖向震动则几乎没有隔离作用;另一方面,这种隔震体系实际上是在地震时对上部结构起着低通滤波的作用,地震中的中高频成分几乎全部可以滤掉,但并不能完全避免结构共振。

1.2 隔震技术基本原理
隔震设计的基本原理就是通过在场地与主体之间或基础与主体之间设置刚度较小、阻尼较大的阻尼隔震层，通过隔震层吸收地震力量，以减少地震能量向上部结构传输，从而有效的降低地震对建筑物的作用。

其原理的核心是通过降低地震对建筑物的作用效应来实现减震、防震的目的。

隔震体系通过延长结构的自振周期能够减少结构的水平地震作用，已被国外强震记录所证实。

国内外的大量试验和工程经验表明：隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60％左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施和人员的地震安全性，增加了震后建筑物继续使用的功能。

1.3 隔震结构的减震机理
图1.1 减震机理的计算模型
上图1.1为一个单自由度体系模型，该体系在地面运动作用下的振动方程
为：
my+cy+ky =cxg+kxg
式中, m、c、k分别为体系的质量、阻尼系数和刚度系数；y、xg分别为质体的绝对位移和地面运动位移。

令=2ωn ζ =ωn2 ,则上式变为：
y+2ωnζy+ωn2y=2ωnζxg+ωn2 xg （1）
令地面运动加速度为xg =eωt，式中，ω为场地的特征频率，将xg =eωt带入上式（1）中，可推导出体系的绝对加速度幅值与地面运动输入加速度的幅值之比。

用Ra表示该比值，由计算我们可知Ra是阻尼比ζ和频率比ω/ωn的函数。

下图1.2为不同阻力比是的Ra——ω/ωn曲线。

图1.2隔震结构减震效果与频率比的关系曲线
从上图中我们可以看出：
（1）这组曲线在A点有一个交点，对应的Ra=1、ω/ωn= ，这说明体系的绝对加速度与地面输入的加速度幅值相等，且与阻尼无关。

(2)当ω/ωn1,及体系的绝对加速度大于地面输入的加速度，这就是绝大多数抗震结构体系的反应特点。

（3）当ω/ωn→时，Ra> >1，及体系与地面输入发生共振，地震反应明显增大，很多抗震结构很接近这种情况，地震中这类结构的破坏比较严重。

（4）当当ω/ωn> ，Ra<1,及体系的绝对加速度小于地面输入的加速度。

若将结构的参数设计在这个范围内，则结构的地震反应后明显减小，这就是隔震结构的减震机理。

二、隔震建筑的形式
2.2 基础隔震结构
所谓基础隔震,就是在建筑物的基础与上部结构之间增设高度很矮, 具有足够可靠性的隔震层,控制地面运动向上部结构传递,地震时其能量可反馈到地面或由隔震层吸收,以大大减小结构及构件的地震反应,确保建筑物的整体安全,其内部设备不发生破坏或丧失使用功能,室内人员不遭受伤害也不会有强烈震感。

基础隔震方案有多种，其中叠层橡胶支座隔震技术是隔震技术中应用最广、技术最成熟的，它具有减震机理明确、减震效果显著、施工与安装方便等特点。

图1为典型的叠层橡胶支座构造，它主要包括三个部分: ①叠层钢板橡胶:它是由一层钢板一层橡胶经过特殊工艺交替叠合而成，具有较高的竖向承载能力和较小的水平刚度；②铅芯:能提供较高的阻尼；③橡胶保护层:用来防止内部钢板的腐蚀。

图1 铅芯橡胶隔震支座
采用基础隔震设计上应注意:(1)在建筑物周边,隔震层部分要比基础大一圈,因此场地要宽裕;(2)隔震层的周围设挡土墙,其上部有墙外狭道等,因此要确保地
震时不因上部结构的移动而带来其它问题;(3)方便检查和更换隔震装置;(4)为使设备管线适应隔震层的位移和变形,常采用柔性连接或球型接点,但要考虑安放装置及检修的空间;(5)隔震建筑物与其它建筑物之间的联系通道要适应相对变形,确保畅通无阻。

2.2中间层隔震
在基础以上的中间楼层设置隔震层,下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触,因此它不存在基础隔震建筑的底部体积和墙体数量问题,但隔震层以下的楼层需要做抗震处理。

在市区场地不太宽裕时,可把隔震层设计在地面以上,在空中变形有利于节约用地,同时也能有效减少地基的挖土量。

采用中间层隔震,设计上应注意:(1)为适应隔震层的移动变形,该部分的建筑外墙应设水平缝,要考虑防水、隔音、防火等,也要注意立面的协调美观;(2)解决楼梯、电梯井、机器升降、设备管线等贯穿隔震层的问题,并考虑防火区间的划分;(3)便于检查、更换隔震装置及耐火材料等。

隔震装置布置和选取的一般原则为:(1) 隔震层具有适当的水平刚度,在强风作用下,隔震层具有足够的初始刚度,在较大地震作用时,隔震层产生柔性变形,能大大减小水平地震作用;(2) 隔震层的水平刚度中心宜与上部结构的质心基本一致;(3) 隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力,在发生大震时,可安全稳定地支撑建筑物,不会出现失稳破坏,能发挥隔震功能;(4) 隔震装置具有良好的自动复位功能,在发生大震后,可基本复位到初始位置,当发生余震时,可继续有效发挥隔震作用;(5) 隔震装置具有较大的竖向刚度,在设计竖向荷载作用下,竖向位移被控制在允许值以下;(6) 隔震装置的刚度和阻尼具有较好的稳定性,在可能出现的荷载和温度范围以内,其变化较小;(7) 具有良好的耐久性,具有良好的抗老化、抗疲劳、抗徐变等性能,在建筑物的使用期内能有效发挥隔震作用。

三、隔震结构控制理论
它是一种新的隔震设计理论—结构控制和控制结构理论。

结构控制主要研究结构工程中控制装置的设计理论、方法及其实施,控制结构是根据给定的条件将结构和控制装置作为一个整体进行优化设计。

主动控制由于制约因素多、造价昂贵等原因,应用研究尚处于开创阶段。

被动控制特别是其中基础隔震技术的研究,已经逐渐成熟,在工程应用中日渐广泛。

所谓基础隔震,就是在结构底部与基础顶面之间设置隔震层,使上部结构与固结于地基中的基础分离,阻隔地震波向上部结构的传播,使得输入结构的能量或反馈入地基土层或被耗能元件吸收,从而大大减少结构的地震反应,保证建筑物的安全,乃至正常使用功能。

四、结论
本文主要就建筑中的隔震技术理论作了一个浅显的分析，随着隔震技术越来越被广泛的应用于建筑的实际设计中，相对于传统的抗震设计，隔震技术的优越
性会越来越凸显，并成为未来抗震设计中的主流方法和理论。

注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开。