建筑结构设计中的隔震控制技术应用

建筑结构设计中的隔震控制技术应用

冼土潮

深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司广州分公司  深圳市 510000 

摘要：隔震技术是一种先进的建筑减震控制技术，通过在上部结构和基础之间设置隔震层，显著降低结构地震响应，提高建筑抗震性能。我国新颁布的《建筑隔震设计标准》采用了能力曲线与需求曲线的交点（CCQC）法，较传统方法更加科学合理。本文概述了隔震技术原理和建筑应用，重点探讨了《隔标》中的CCQC法，并结合工程案例，说明了隔震设计的关键技术和注意事项。隔震技术在建筑领域的推广应用，需要重视基础理论研究、跨学科融合、工程实践积累等，形成产学研用良性互动，不断优化设计方案，提升建筑抗震韧性，更好地服务于人民生命财产安全和社会可持续发展。

关键词：隔震技术；建筑结构设计；CCQC方法；隔震支座

引言

随着社会经济的快速发展，高层和超高层建筑日益增多，人们对建筑工程安全性和舒适性提出了更高要求。然而，我国部分地区位于地震多发带，建筑结构经常受到地震灾害的侵袭。传统抗震设计主要通过提高结构强度和延性来实现，但往往导致工程造价的大幅增加。隔震技术作为一种先进的减震控制方法，通过设置隔震支座等部件，改变结构动力特性，达到减小地震作用的目的，在建筑工程中得到越来越广泛的应用。为进一步规范和指导隔震结构设计，2021年我国颁布了新版《建筑隔震设计标准》GB/T51408-2021。在此背景下，系统探讨隔震技术在建筑结构设计中的应用，对于提升建筑工程抗震性能，降低地震灾害风险，具有重要意义。

1. 隔震技术概述

隔震是通过在上部结构和基础之间设置具有较低水平刚度的隔震层，使结构的基本周期远离地震能量的主要集中周期，从而达到减小地震作用的目的。隔震层通常由隔震支座和抗风支撑等部件构成。目前建筑中常用的隔震支座主要有橡胶支座、滑移支座和弹簧阻尼器等类型。橡胶支座利用橡胶的弹性变形来延长结构周期，具有刚度小、阻尼较大的特点；滑移支座利用曲面滑移的摩擦力提供阻尼，可实现隔震层的自复位；弹簧阻尼器则结合了弹簧的刚度和阻尼器的耗能，可针对不同需求进行优化设计。此外隔震体系还需要设置抗风支撑来满足风荷载和日常使用工况的刚度要求。

2. 隔震技术在建筑结构设计中的应用

在建筑结构设计中应用隔震技术，需根据建筑重要性、场地条件等因素，合理选择隔震体系形式，如双向或单向隔震布置。隔震支座设计应考虑竖向承载力、水平刚度、屈服强度、阻尼比等参数。《隔震设计标准》对不同类型隔震支座提出了性能要求，如橡胶支座压应力限值、曲面滑移支座摩擦系数范围等。橡胶支座一般布置在柱下或墙下，形成均匀支座网格；曲面滑移支座摩擦系数则与滑块材料、面压、速度等有关，宜通过试验获取，并考虑摩擦系数波动影响。隔震设计还需关注隔震层抗风验算、偏心率控制、支座柱构造等问题。隔震层侧向刚度须满足抗风要求，可采用核心筒、支撑等提供；偏心率应控制在5%以内，以减小扭转效应；支座柱截面和配筋应满足承载力和变形能力需求。隔震支座布置应与上部结构刚度分布协调，在平面上宜对称布置，支座与基础、上部结构连接须传力路径清晰、节点受力明确，并留有足够变形空间。

3.《隔标》中的CCQC与传统隔震设计的区别

新版《隔标》在传统隔震设计方法的基础上，引入了CCQC（能力曲线与需求曲线的交点）方法，即通过能力曲线与需求曲线的交点来确定隔震结构的变形和地震力。能力曲线反映了隔震结构在不同水平地震作用下的承载力和变形能力，需求曲线则代表了在不同地震水准下结构所需要的变形能力。“交点法”可以保证弹性响应条件下的需求不会超过能力，且阻尼比合理。传统的固定阻尼比设计法则存在一定的局限性，可能会高估结构的阻尼作用。固定阻尼比法一般取阻尼比为0.25~0.30，忽略了隔震支座性能和隔震层布置等因素的影响，导致计算结果偏于保守或不安全。相比之下，CCQC法不仅考虑了隔震结构的非线性行为，而且引入了调谐质量阻尼比的概念，通过迭代计算确定最合适的阻尼水平，使结构响应与需求相匹配。调谐质量阻尼比与隔震支座的屈服强度、初始刚度等参数有关，可动态反映结构刚度随位移的退化，能更精确地模拟隔震结构的滞回耗能机制。迭代计算还可实现能力曲线与需求谱的动态匹配，既考虑了隔震结构刚度、阻尼的非线性变化，又满足了结构变形与承载力协调的要求。这一优化计算方法大大提高了隔震设计的合理性和可靠性。另一方面，CCQC法采用受限拟性能目标抗震设防类别和两遇地震水准设计地震，更加直观地体现了隔震结构在多遇、设防和罕遇三水准地震下的性能目标。多遇地震下，隔震结构应基本保持弹性工作状态；设防地震下，隔震支座可进入非线性，但结构响应须满足修复性要求；罕遇地震下，允许隔震支座发生较大变形，但须防止结构崩溃。这种分级的抗震性能要求，突出了隔震结构的韧性特征，有利于发挥隔震体系的损伤控制功能，实现易修复、低损伤的设计目标。与倒塌防止验算法相比，CCQC法更关注中小震下隔震结构的服役性能，在大震下也对结构变形进行了合理控制。

4. 隔震技术的工程实践案例

以某三层框架结构办公楼为例，该建筑采用盆式橡胶隔震支座进行隔震设计。隔震层设置在首层，共布置20个隔震支座，每个支座的设计竖向承载力为1000kN，等效水平刚度为800kN/m，屈服力为40kN，等效阻尼比为0.27。隔震前结构基本周期为0.32s，隔震后基本周期为1.60s，大大避开了场地卓越周期。通过反应谱分析，隔震后结构的基底剪力降至隔震前的30%，顶点位移也减小到50%以内。小震下隔震支座刚度偏大，基本保持弹性工作；中震下隔震支座发生屈服，提供合适刚度和阻尼，结构的层间位移角满足1/550的要求；罕遇地震下隔震支座发生较大变形，最大位移为18cm，仍远小于支座极限位移的50%，结构的层间位移角控制在1/120以内。弹塑性时程分析表明，在罕遇地震下隔震结构的层间剪力分布更加均匀，塑性铰主要集中在梁端，整体变形趋于剪切型，远优于隔震前的倒三角分布。该工程实践表明隔震技术能够显著改善结构动力特性，降低结构地震响应，提高抗震能力。同时也要看到，隔震设计对施工提出了更高要求，隔震支座安装、预压、检测等环节需要严格控制，隔震层通长通高的施工缝也要采取可靠的防水措施。

5. 结论与展望

综上所述，隔震技术是一种行之有效的建筑减震控制技术，通过合理设置隔震支座等隔震部件，能够降低上部结构地震反应，提高建筑抗震性能。我国新颁布的《隔标》采用了更加科学的CCQC方法，为隔震结构设计提供了规范指导。但在隔震技术的工程应用中，仍需要关注隔震体系的合理设计、施工质量控制和后期维护等问题。随着新型隔震装置的开发和理论方法的进步，隔震技术有望在我国乃至世界范围内得到更加广泛的推广应用，更好地提升建筑工程的抗震韧性，保障人民生命财产安全。作为一名建筑工程师，要加强对隔震技术的学习研究，将其与传统的抗震设计方法有机结合，因地制宜地采用，为建筑工程提供更加优化的结构设计方案。

参考文献

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[3]陆好雨.隔震控制技术在建筑结构设计中的应用[J].中国建筑金属结构，2023，22(08):92-94.