浅谈建筑结构隔震设计

浅谈建筑结构隔震设计

宋红艳

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【摘要】地震灾害是对人类造成杀伤性最大的自然灾害之一，尤其是对于人口密集的城市来说，一旦发生地震灾害，如果不能做好建筑物的抗震设计来抵御，那么后果将不堪设想，近些年随着高层建筑的不断涌现，让抗震设计显得更加重要，只有做好超高层的隔震方面的结构设计工作，才能避免在地震中最大程度的减少受影响程度，甚至可以避免受到灾害波及。　　

【关键词】隔震原理；隔震试用范围；隔震稳定；经济性

　　 建筑隔震减震技术是通过在建筑物底部或某高度处设置侧向刚度较小且变形能力大的隔震装置,以减小地震对上部楼层的能量输入,从而减小上部楼层的地震响应。

　　 1 建筑隔震的原理

　　 建筑隔震就是在建筑物的基础或下部结构和上部结构之间设置隔震装置（或系统），形成隔震层，以达到阻隔地震时地面振动向上部结构传递地震力（或振动能量），降低结构在地震下的振动反应的目的。

　　 建筑结构采用隔震措施后,与相同的非隔震结构相比,将具有较长的周期(通常是原周期的2～3倍) 。根据反应谱理论,层数较少的非隔震结构周期较短,地震作用较大,而隔震建筑的周期明显延长,使得地震作用显著减小。这是目前对隔震建筑原理的一般解释,并由此认为隔震建筑一般适用于层数用隔震技术,我国也开始高层建筑隔震的研究和应用。但传统的基于延长周期的隔震原理似乎无法解释隔震技术在高层建筑中应用的合理性,而实际高层建筑隔震的动力分析结果又表明高层建筑隔震仍具有明显的减震效果。隔震技术在高层建筑中应用的合理性来源于多个方面,其中比较主要的方面在于隔震层同时也是绝好的消能减震层,结构的大部分变形集中在隔震层,使得隔震层中阻尼器的消能作用具有更高的效率。除此之外,即使只考虑隔震本身,高层建筑隔震仍具有其他优势,主要体现在上部结构绝对加速度响应的降低。

　　 2 隔震建筑的形式

　　 2.1 基础隔震

　　 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。同时,还可防止结构内部的次生灾害。主震后无需避震疏散,即使发生罕遇大震隔震房屋也不会倒塌。

　　 在其中使用的橡胶隔震垫不仅有良好的隔震性能,而且该技术在造价方面也有其优越性。隔震结构与一般结构相比,费用增加的部分包括:隔震构件、隔震层上面的楼面、设备管道的柔性接头及相应的设计费用和施工费用。如果上部结构仍然按传统的抗震设计,其总工程费用略有增加。

　　 基础隔震技术是用水平力很“柔”的隔震元件将上部建筑与基础隔离，由于隔震层的刚度很小，当地震发生时，隔震层将发挥“隔”的作用，承受地震动引起的位移运动，而上部结构只作近似平动。原来的“刚”“性”“抗震”结构的地震反应是“放大晃动型”，而基础隔震结构的地震反应只是“抗震结构”的1/4-1/12，大大提高了结构的安全度。“抗震结构”的层间位移大，所以造成建筑的开裂、破坏甚至倒塌。基础隔震结构的层间变形很小，这样不仅建筑结构不会破坏，而且建筑内的装修，设施也保持完好。

　　 目前应用较多的隔震元件是建筑隔震橡胶支座，隔震橡胶支座是由一层钢板一层像胶层层叠合起来的，并经过加工将橡胶与钢板牢固地粘结在一起，首先，隔震支座有很高的竖向承载特性和很小的压缩变形，可确保建筑的安全；第二，隔震支座还具有较大的水平形能力，剪切变形可达到25%而不破坏；第三，橡胶隔震支座具有弹性复位特性，地震后可使建筑自动恢复原位。采用隔震橡胶支座的建筑物，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“小震不坏，中震不坏或轻度破坏，大震不丧失功能”。此外，采用隔震橡胶支座建造的房屋，可适当降低上部结构的设防水准（一般可降低一度到一度半），这样就有可能使建筑布置更加灵活，并可减少一些结构的构造措施或减少一些结构件的尺寸或配筋（如墙体厚度），从而使上部结构能节约部分土建造价。现代科技的发展已解决了橡胶的老化等耐久问题，完全可以使橡胶隔震支座的寿命满足建筑使用的要求。

　　 基础隔震技术适用范围很广，尤其适用于量大面广的中、低层砖混房屋和钢筋混凝土房屋建筑，在高烈度地震区，采用基础隔震技术建造的房屋，可以突破现行抗震规范中对房屋层数的限制，在保证高度比的前提下可以加高一两层，这样可以增大建筑物的容积率，节省建设用地，提高土地利用率。在中低烈度地震区，采用隔震技术，投资可能会稍有增加，但建筑的品质与往日的相比已不可同日而语，更重要的是其产生的社会效益无法估量。

　　 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。

　　 3 隔震建筑稳定性

　　 隔震建筑稳定性隔震建筑通过隔震垫改变建筑的周期，从而减少地震能量的输入，达到减震的目的，设置隔震层，将导致减少建筑物的水平位移约束， 根据弹性稳定理论，可以肯定， 两个完全相同的上部结构，嵌入隔震层的稳定性不如无隔震层的。因此，从某种意义上说，结构减震是以降低结构稳定性为条件的。橡胶垫越扁平，隔震器稳定性越好，水平刚度越大，水平刚度大的隔震器隔震效果相对较差，在此揭示了隔震器稳定性与其隔震效果是矛盾的，设计研究中，协调矛盾是重要的， 国内外文献建议s2直径与高度比取值为3―6；隔震建筑的稳定与隔震层位置也有关系，隔震层位置越接近地基，建筑的隔震效果越好，整体稳定性稳差，稳定性越好，隔震效果越差。为了防止隔震建筑失稳，《规范》 规定： 隔震支座在表第l2．2．3初期值的±20％ ；徐变量不超过各橡胶层总厚度的5％ ；隔震层橡胶支座在罕遇地震作用下， 不宜出现拉应力。另外隔震建筑在设计施工中为防失稳都应设置沉降观测点。 平均压应力限值I 建筑类别 甲类 乙类 丙类建筑 建筑 建筑平均压应力限值(MPa) 10 12 15高层建筑隔震设计中隔震建筑稳定性问题更加突出，在当前技术条件下，隔震支座根本无法承受大的拔力，日本在隔震技术开发和应用中，采用了直线式滑动支座，这种支座最大抗拔力可达18000KN，还有一个新办法，就是采用柱基“活接” 隔震消能措施。但目前高层建筑隔震设计中不单只应用橡胶隔震垫，还须其他减震设计方法进行空间模型非线性时程分析，

　　 4 隔震结构的经济性。

　　 隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加价值，因此与以往建筑物比较时，应考虑附加价值进行综合评价。在考虑隔震建筑的造价时，不仅要考虑初始造价，如果从包括建筑物在使用阶段的维修、重建、内部物品的损坏和经济损失来考虑，隔震建筑具有很好的经济性。从国内外建筑的实例来看，全部工程费用可能增加，但隔震效果好，上部结构和基础结构部分的造价减少很多。如果能有效的利用隔震层作为设备层或停车场就可以抵制隔震层的费用增加。因此，总造价可能就会降低。