建筑结构隔震技术

建筑结构隔震技术
福州市规划设计研究院教授级高工夏昌
0引言
2008年5月12日，我国四川省发生里氏8 0级特大地震，造成死亡、失踪 8 万余人，房屋倒塌数千万平米的重大损失。

纵观世界范围， 20世纪由于地震而 死亡的人数，中国人占到60%，三十年前唐山大地震的惨烈景象历历在目，三 十年后悲剧
再度重演，如何做好防震减灾，如何保证房屋在地震中的使用功能， 保护人民生命财产的安全，成为我们要迫切解决的问题。

让我们首先探讨现行结构抗震设计存在的问题。

1结构传统抗震设计存在的问题
传统的结构抗震技术，自新中国成立以来，经过长期的研究，多版本抗震规范的 完善，在工程实践中已有显著成果，但是，传统抗震设计仍存在诸多问题： 1）抗震设防思想落后：
设计人员错误把“设防烈度”当作保证安全的准确指标， 而实际上，预防为主不 是预报为主，地震预报工作远未达到成熟的水平。

中长期预报很不准确，地震区 划方法、地震危险性分析方法有待提高。

基于上述不准确的“中长期预报”只能 定出不准确的“设防烈度”， 突发强地震时，难于控制结构受损程度，难保证 不倒塌。

我国近年来发生的典型大地震烈度（设防烈度）如下: 因此，抗震设计既应满足“按烈度设防”，也要考虑防御高烈度的大地震。

2）适应性问题：现有抗震技术只要求保护结构在设防烈度内可修、不倒，未保
护非结构构件及装修，未保护内部设备、仪器。

3）采用抗震技术设计时，若建筑设计复杂结构更易破坏：
不规则平面扭转破坏，不规则立面层间剪切破坏。

结构传统抗震设计存在的上述问题，极大的制约了我们防震减灾目标的完美实 现。

如何做到在突发强地震时房屋不坏、不倒，保护室内装修和内部设施，保护 人民生命财产安全，经过多年的探索，更为科学的结构减震控制技术已臻成熟。

2结构减震控制技术
在工程结构的特定部位，装设某种装置（如隔震垫），或某种机构（如消能支撑）， 或某种子结构（如调频质量），或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动 力作用，这就是结构减震控制技术。

结构抗震技术和减震技术机理对比如下表 1。

工程结构减震控制技术的方法主要有：隔震技术、 消能减震技术、调谐减震技 术、主动控制技术、半主动混合控制技术。

隔震（免震）技术是指：在建筑物的内部设置既能支撑建筑物本体重量，又具有 在水平方向自由变形能力的隔震层， 将地震时产生的水平变形集中于隔震层。

在 隔震层中，设置用于吸收和消耗地震输入能量的隔震器。

表1结构抗震减震技术机理对比
1966年，邢台大地震, 1975年，海城大地震, 1976年，唐山大地震, 2008年，汶川大地震,
10度（6度）；
9、10 度（6 度）； 11度（6度）； 11度（7度）。

消能减震技术是指：在建筑物的内部设置阻尼器，阻尼器随着建筑物的变形和运动吸收消耗地震能量，控制建筑物的振动反应，抑制建筑物上部结构产生较大反应加速度（地震力）与位移，减低地震时结构体的损毁。

调谐减震技术是指：以高层建筑物为对象，在建筑物的顶部设置与建筑物的固
有振动周期完全相同的“质量阻尼”系统，与建筑物产生共振来减轻本体振动。

这种技术不提供外部能量，只是通过调整结构的频率特性来实现减震，称为被动调谐减震控制（TM取术）。

上述诸项减震控制技术中，运用最成熟、最广泛的是叠层橡胶垫隔震技术，即采用叠层橡胶隔震垫为隔震器的隔震技术。

所谓叠层橡胶垫隔震垫，是指由钢板和橡胶叠合而成，具有很大的竖向刚度（相当于同截面钢筋砼柱）和较小的水平刚度（约为同截面钢筋砼柱的1/1000），
分为普通型（GZP*支座和有铅芯型（GZY*支座，目前我国采用的是《建筑隔震橡胶支座》JG118-2000建设部产品标准，我国已能提供质量高、价格适当的系列产品。

3隔震结构设计
在结构的薄弱层或受力集中部位设置隔震层，利用隔震垫的变形吸收地震能量，从而避免结构主体受损，此为隔震结构原理和特点。

与传统的抗震结构设计相比，隔震结构因设置了非线性的隔震层而有其独特性，限于目前规范的制约、软件的
制约，其设计流程一般如下：
3 1方案和初步设计
从建筑功能、场地条件、经济性等方面，选择是否采用隔震，并初步确定隔震结构的方案一一隔震层设置在何位置、上部结构的类型和参数、隔震支座布置方案、下部结构方案等。

是否采用隔震技术，《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗震规范》）规定（3
8 1）：隔震与消能减震设计，应主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及
抗震设防烈度为& 9度的建筑。

《建筑抗震设计规范》对采用隔震技术结构的具体要求是：
1）结构体型基本规则，不隔震时两主轴方向结构基本自振周期小于 1 0s。

2）建筑场地宜为I、II、III类，基础类型稳定性较好。

3）风荷载和其它非地震作用产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。

设计中，首先按抗震结构一般原则布置结构体系，利用STAW等软件进行抗震计算，所得柱底力按结构重要性要求布置隔震垫，隔震垫的布置应尽量使隔震层的刚心与上部结构的质心重合，阻尼器尽量设置在建筑物的四周以减小扭转。

3.2动力分析计算
隔震结构的动力分析计算主要围绕求解水平向减震系数和隔震层位移这两个参数，具体分析方法是时程分析法，即利用具有非线性时程分析功能得MIDAS
ETABS等软件，以适合拟建工程建设场地类别的三条地震波分别计算（选定波应按《抗震规范》表5 12-2调值），求得隔震结构小震时层间剪力的平均值
和罕遇地震时平均隔震层位移，藉此确定水平向减震系数，验证隔震层位移。

1）层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系如下表2：
水平向减震系数不宜低于0 25。

2）罕遇地震时隔震支座位移应满足：
Ui < [Ui] （[Ui] < 0 .55D 且3tr ）
D:隔震支座直径；
tr :隔震支座橡胶层总厚度。

3 3上部结构设计
隔震结构上部结构可按传统抗震的设计方法计算，水平地震作用取隔震后的数值，即取水平地震作用放大系数为减震系数，计算结果应调整，使地震力满足隔
震后结构的总水平地震作用不低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，各楼层的水平地震剪力符合最小地震剪力系数要求（《抗震规范》12 2 5）
上部结构抗震等级按（《抗震规范》12 2 7确定，隔震建筑的抗震措施如
下表3:
K100:隔震支座在水平剪切应变100%寸的水平有效刚度。

3）隔震支座罕遇地震下的拉应力验算：
利用上部结构时程分析所得柱底力直接判断，不宜出现拉应力。

4）隔震支座与结构主体的连接：一般由厂家产品保证。

5）隔震层构造：
隔震层顶部梁板加强，现浇板厚度不宜小于140mm隔震装置必须能自由移动: 周边：设防震缝，缝宽不小于罕遇地震下水平位移 1 2倍；
出入口、楼电梯：上下部结构应分离；
管线：采用柔性材料或柔性接头，预留伸展长度；防火：根据使用空间的耐火等级采取相应的防火措施。

3.5下部结构设计
隔震层以下结构（包括地下室）的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行计算（《抗震规范》12 2 9）。

下部
结构设计方法为传统的抗震设计方法，下部结构抗震等级如下表 4 （建议）：
表4
3.6地基及基础
基础：抗震规范未规定隔震结构基础的设计要求，可参照相关资料进行设计。

地基：隔震房屋对抗液化要求提高一个液化等级确定措施，其它（抗震验算、地基处理等）同一般抗震房屋。

4隔震的技术经济性
隔震结构对比传统的抗震结构，有其技术经济性和造价上的变化：
1）大地震时安全：隔震结构地震反应降为非隔震结构的1/3 - 1/10，大地震时结构不坏不倒，生命财产安全。

2）隔震技术既保护结构，也保护室内仪器设备，使用功能不中断。

3）大地震时结构基本保持弹性，保护非结构构件。

4）建筑设计自由：适用于规则结构，也适用于不规则结构。

5）建筑造价变化：
直接建设费用增加：隔震器和阻尼器、隔震层顶板加厚、管线柔性接头及其它隔震构造的特殊处理、隔震层下部结构加强等令隔震建筑直接建设费用增加。

直接建设费用减少：上部结构地震作用减小，上部结构型式及方案由此调整，构件截面及配筋可减少，非结构构件和装修的锚固连接构造简化，在使用期内由地震引起的损失可减小。

总体上，采用隔震技术，建筑的直接建设费用增加约100-200元每平米（低烈度区内）。

但是，科学的分析，建筑经济应采用寿命经济分析法，即建筑的经济应在建筑使用寿命周期内，对工程的初始造价、使用期间的维修费用和在偶然情况下，如地震等产生的失效损失进行整体评估。

隔震结构中各项费用占总费用的比例如表5，由表可见，隔震技术的总体技术经济性良好。

表隔震结构中各项费用占总费用的比例
5隔震技术的适用性
隔震技术可以用在任何建筑中，特别适合用于下列建筑：
1）要求在地震中使用功能不能中断的建筑，如政府指挥中心、电讯电视大楼、机场、车站、医院；
2）有大量人员集中的建筑：学校、大型场馆；
3）有宝贵内部物件的建筑：博物馆、银行、计算中心；
4）住宅；
5）安全性要求较高的建筑。

摘自福建勘察设计。