抗震设计中——隔震技术系统介绍

隔震技术介绍

本文源于上海大学隔震网，基于让广大读者更好了解隔震技术，将之copy至此。切勿乱传。谢谢配合。

前言：

我国地处全球两大地震带之间，是一个多地震国家，地震带主要分布在：东南-台湾和福建沿海一带，华北-太行山沿线和京津唐渤地区，西南-青藏高原、云南和四川西部，西北-新疆和陕甘宁部分地区。回顾过去的历史，地震给人类带来了巨大的灾难和损失。本网站希望能为人们提供一个了解隔震结构的平台，提供隔震理论与技术，以及实际工程应用等相关资料，并时刻关注隔震结构前沿发展，期望使人们对隔震建筑有全面的了解，以推动我国隔震建筑全面、快速、健康发展。

隔震结构与普通结构建造成本比较：

相比于普通建筑结构，采用隔震设计的建筑物，尽管增加了隔震部分的成本，但可以使上部建筑的设防烈度降低了一度，从而减少了相关的成本。

隔震理论：

隔震结构基本信息

在人类漫长的发展历史过程中，经历了无数次强烈地震，仅上个世纪的百年中，由地震引起的伤亡人数超过 5 万人的强震就多达近20次。1976年7月28日凌晨3时28分，在我国河北省北部工业重镇唐山市发生了里氏7.8级强地震，中心区烈度达到11度。地震引起的死亡人数为242769，受伤人数达到164851，倒塌房屋总数近322万间。日本在经历了 1923 年的关东大地震(1923年l月17日，死亡100000人)仁后，对建筑物的抗震及防灾给予了足够的重视。然而在1995年1月17日凌晨5时46分，兵库县南部发生了强烈地震(死亡5500人，受伤人数约为35000人，全部损坏或部分损坏的房屋达 180000 户，1995年2

月16日读卖新闻消息)，造成巨大的人员和经济财产损失，对稳步发展的现代抗震结构提出了新的疑问。

传统抗震结构地震反应的计算分析理论在经历了20世纪 20-30年代的静力计算理论， 40-50年代的反应谱计算理论后，于60年代又逐步过渡到动力分析理论方面。无可置疑的是经过数十年的研究和工程实践，人类在抵抗地震这种突发自然灾害、保障人类生命安全方面确实取得了显著的进步。但在减少地震带来的经济损失方面可以认为是没有明显的进展，这一观点可能出乎很多人意料，事实上现代社会遭受地震灾害的损失远远大于1个世纪前。1995年日本神户大地震造成的经济损失高达 2000 亿美元，地震持续20秒，每秒的损失达 100 亿美元。这样巨大的经济损失严重影响一个国家、一个地区和城市的发展和建设。

基于传统建筑结构提出的抗震设计思想以“小震不坏、设防烈度可修、大震不倒”三水准为设防目标，建筑结构依靠结构的变形来吸收并消耗地震能量。在结构遭遇到中、小型地震时，依靠结构吸收并消耗地震能量是可行的。然而，当建筑结构遭遇到大地震或特大罕遇地震时，完全依靠结构难以吸收并消耗巨大的地震能量。因此，虽然采用了严格的设计，在遇到超过规范设计要求的大地震或特大地震时仍无法确保结构安全，寻求有别于传统抗震体系的新体系成了众多学者的研究目标。

基础隔震结构体系通过设置隔震层，将结构分为上部结构、隔震层和下部结构三部分，地震能量经由下部结构传到隔震层，由隔震层的隔震装置吸收并消耗主要地震能量后，仅有少部分能量传到上部结构。隔震层的设置改变了上部结构的周期，降低了结构的地震反应，确保上部结构在大地震时仍可处于弹性状态，或保持在弹塑形变形状态的初期状态。

美国Northridge大地震(1994年)和日本神户大地震(1995年)中地震区隔震建筑记录到的最大加速度反应表明：隔震结构顶层加速度反应峰值仅为非隔震结构的20%(隔震结构198Gal，非隔震结构965Gal)。

这是世界上最早实测到的隔震和非隔震结构在强地震作用下的加速度反应对比纪录，证实了隔震结构体系是当前一种较为理想的减轻地震灾害的新型结构体系。

隔震结构与抗震结构

建筑物的规模、重量、强度、坚固性与人体的大小、体重、柔韧性相比要大的多，这种由质量和刚度构成的安定的建筑保障了人类的日常生活空间。建筑物最重要的功能是能承受持续发挥作用的重量，但同时也要能抵挡频率较小的地震、台风等外界自然灾害。

建筑物设计早期，设计尚处于静力设计阶段，此时尚无抗震结构这个说法，结构依靠的是自身刚度抵御外界水平和竖向荷载。所建成的结构都是所谓的“刚性结构体”。然而，静力理论设计的房屋在历史许多地震受到重大损失。随着科技的进步以及房屋层高的不断增大，人们开始考虑建筑抗震问题。20世纪50年代初，随着强震仪的出现和结构动力特性的不断深入研究，提出了沿用至今乃至今后的“延性结构设计”。这种理论思想是在一定程度上控制结构体系的刚度，允许结构在中大震时发生变形，从而将地震能量以动能的形式耗散掉，从而保护建筑物不至于倒塌。因此，传统抗震设计基本要素中，首先是保证建筑物要能持续支持自身重量，其次是能够通过结构构件的强度和延性来吸收地震输入的能量。

但是，抗震结构有着不可弥补的致命弱点：它虽然能在地震中不至于倒塌，但是它允许结构变形，甚至是严重破坏。因此，每当发生地震时，传统抗震结构通过混凝土裂缝以及钢筋屈服形式吸收地震能量，但多数情况下，建筑物内过大的加速度、速度和层间变形会使建筑物内部遭到毁灭性破坏，地震后存在较大残余变形，建筑物功能难以维持，震后维修费用大大增加。

抗震结构在地震中的糟糕表现促使全世界人们不断思考，隔震结构体系从此应运而生。隔震结构的基本是通过在基础结构与上部结构之间设置“隔震层”，使地震时上部结构与地基水平震动分离，从而保护上部结构。目前国际上应用较多的是基础隔震建筑。通过在隔震层设置隔震支座和阻尼器等隔震装置，其中隔震支座能够安定持续地支撑建筑物重量、追随建筑物的水平变形，并且具有适当的弹性恢复力，而阻尼器能够用于吸收地震输入能量。因此耳针结构是一种遵循并超越抗震设计思想的结构形式。当结构遭受罕遇地震时，作用于上部结构的水平力比一般结构要小的多。因此很容易对上部结构进行弹性设计。所以即使遭受罕遇大地震时，隔震结构也能维持上部结构的功能，确保建筑物内部财产不遭受损失，保障生命安全。

隔震结构抵御地震的强大能力已在日本、美国、中国等许多国家得到验证。隔震体系优良的抗震能力也表明，未来的结构抗震设计将是以隔震体系全面替代传统抗震体系而开展的。

隔震结构的发展

一、隔震技术的发展

地震是最严重的自然灾害之一，隔震结构是一种有效抵抗地震的结构。早在 19 世纪，欧洲就已经萌发了基础隔震思想。但直至上世纪 70 年代，新西兰学者Robinson研发出铅芯橡胶支座后，基础隔震技术才开始逐步受到人们的关注。1969年，现代第一座隔震建筑出现在南斯拉夫，建筑结构为 3 层钢筋混凝土结构，隔震装置采用天然橡胶支座。1970 年左右，法国在马赛兰蒙斯克镇建造了一幢 3 层教学楼，首次采用了叠层钢板橡胶支座隔震。1981年竣工的新西兰惠灵顿威廉克雷顿(William Clayton)大楼是世界上第一座使用铅芯橡胶支座的结构。1984年，美国加州福希尔司律师事务中心落成，这是美国第一座隔震建筑，也是世界上首次使用高阻尼橡胶支座隔震的建筑物。1984年，美国盐湖市政大厦采用隔震技术加固，这是