工程隔震技術的研究與探討

劉軍強

（湖南安石建筑設計有限公司，湖南 婁底 417000）

1 引言

地震是一種突發性的自然災害，大地震可能造成極為嚴重的破壞。隨著我國社會經濟的發展，地震的災害性將變得尤為嚴重，特別是在人口稠密，生命線工程日益復雜的現代化大城市，其災害性后果更不堪設想。

隔震技術是20世紀最具代表的革新性結構抗震技術之一，最早是由日本學者河合浩藏于1881年提出[1]，為工程抗震減災提供了新的手段和研究方向，并在國內外地震中經受住了考驗，表現出令人驚嘆的減震效果。本次汶川地震中甘肅武都縣的3棟隔震的6層砌體結構在地震中表現良好，屋中家具、花瓶等完好，墻體無裂縫，而鄰近的非隔震房屋則振動激烈，室內家具、花瓶、電器等傾倒，墻體嚴重開裂。隔震技術不僅可以保護結構本身的安全，同時也保護了結構內部非結構構件、裝修、家居電器以及設備設施免遭破壞。

2 隔震原理及基本特征

2.1 隔震原理

隔震是一種革新的抗震方法，它旨在解除結構與地面運動的耦聯關系，通過增加結構的柔性與提供附加阻尼來減小輸入到結構中的地震作用[2]。結構隔震體系是指在結構物底部或某層間設置隔震裝置而形成的結構體系，它包括上部結構，隔震層和下部結構三部分。

普通中低層建筑物的剛度大、周期短，其基本周期正好在地震輸入能量最大的頻段上，因此相應的加速度反應比地面運動放大得多見圖1中A點。如果延長建筑物的周期，而保持阻尼不變，則加速度反應被大大降低見圖1中B點。如果繼續加大結構的阻尼加速度反應則進一步減小見圖1中C點。這就是說,通過延長結構的周期并給予較大的阻尼，就可使結構上的加速度反應大大降低。此外，對結構產生的較大位移可由上部結構底部和基礎頂部之間設置的隔震層來提供，而不由上部結構自身的相對位移來承擔。這樣，上部結構在地震過程中就會發生接近剛體平移的運動，大大提高了上部結構的安全性。

圖1 隔震原理示意圖

這里通過定義結構與地面加速度的比值，即加速度衰減比Ra來展示隔震結構的減震效果與隔震裝置的物理參數之間的關系[4]。圖2反映了結構加速度減震效果與激勵同結構頻率比之間的關系。圖2中，當頻率比 ω/ωn=時，Ra=1，為隔震結構體系與傳統抗震結構體系的分界點，即圖2中A點。ω/ωn=時，Ra>1對應傳統抗震體系，結構與場地共振；反之，當ω/ωn=時為隔震結構，此時Ra>1，隨著 ω/ωn的增大，隔震減震效果越好。

圖2 隔震結構關系曲線圖

2.2 隔震體系基本特征

疊層橡膠隔震體系的隔震層由若干個隔震器組成。隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。后兩種隔震器本身已具備足夠的附加阻尼，無需再額外設置阻尼器，實際工程應用中往往與普通疊層橡膠墊組合起來使用。隔震裝置的基本特性如下[3]：

2.2.1 承載特性

隔震裝置應具有較大的豎向承載能力，安全地支承上部結構的所有重量及使用荷載，確保建筑物在正常使用或強震下的絕對安全。

2.2.2 隔震特性

隔震裝置具有可變的水平剛度。在強風時，具有足夠大的水平初始剛度，不影響使用要求。在地震發生時，其水平剛度較小，上部結構水平滑動，使“剛性”的抗震結構體系變為“柔性”的隔震結構體系，其固有自振周期大大延長，遠離上部結構的自振周期和場地特征周期，從而明顯降低上部結構的地震反應。此外，由于隔震裝置的水平剛度遠遠小于上部結構的層間水平剛度，地震作用下結構的水平變形集中于隔震層，上部結構在地震中變為“整體平動型”，結構的層間變形小，即便在罕遇地震作用下也基本處于彈性狀態。這樣，既能保護結構本身，有能保護結構內部的裝飾、精密設備儀器等不遭任何損壞，確保結構物和生命財產在強地震中的安全。

2.2.3 復位特性

隔震裝置具有水平彈性恢復力，使隔震結構體系在地震中具有瞬時自動“復位”功能。地震后，上部結構回復至初始狀態，滿足正常使用要求。

2.2.4 阻尼消能特性

隔震裝置具有足夠的阻尼，可進一步耗散輸入到上部結構的地震能量；同時可使隔震層的位移明顯減少。

隔震體系明顯有效地減輕了結構的地震反應，能確保建筑物在強地震中安全正常使用，對房屋造價沒有較大的影響，且對上部結構的建筑設計限制較小。

3 隔震的設計施工要點

我國目前的隔震技術系列規程主要包含以下內容：（1）建筑、橋梁、特殊結構和工業建筑的隔震設計方法；（2）新建建筑物和加固建筑的隔震設計方法；（3）隔震結構設計方法有等效剪力法和時程分析法；（4）隔震設計容許減少對上部結構的水平地震作用力，以便能夠降低普通建筑物的造價；（5）隔震墊可以容許承受不同的壓應力；（6）隔震墊必須進行完整的試驗以驗證其性能。

隔震結構在設計和施工上都與傳統的非隔震結構有很大的區別，將隔震技術成功應用到實際工程中，應嚴格按有關規范設計，并在施工時注意一些關鍵部位的構造處理，選用合格的產品。例如疊層橡膠墊基礎隔震體系的隔震層對施工的要求是比較嚴格的，隔震層的位移不能受任何原因的干擾和約束，施工時不能損傷隔震器及其附件，并要求隔震器安置有較高的水平度，以確保地震時隔震層能發生水平位移并瞬時復位。

4 結語

隨著現代化社會的發展，建筑物的建筑裝飾與室內的精密儀器設備在建筑物的總造價中所占比重越來越大，傳統的抗震方法在很多情況下已難滿足設計要求，以隔震技術為代表的結構減震控制技術為人們展現了一條嶄新的抗震途徑。隔震技術概念簡單，減震效果顯著，安全可靠，適合于不同抗震要求的建筑物；隔震建筑在造價上和同類非隔震建筑相比沒有較大的提高。綜合各因素，隔震體系的經濟效益和社會效益有著很大的潛力，是一種極具應用價值的新技術，值得大力推廣。

[1]唐家祥，劉再華.建筑結構基礎隔震[M].廣州：華中理工大學出版社，1993.

[2]李立.中國工程抗震研究四十年[M].北京：地震出版社，2005.

[3]周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[4]劉文光，周福霖.鉛芯夾層橡膠墊基本力學性能研究 [J].地震工程與工程振動，1999，19（1）：93~99.