隔震技術在建筑結構中的發展與應用

楊淑紅

(呼倫貝爾學院，內蒙古呼倫貝爾 021008)

0 引言

由于地震的不確定性和復雜性，全世界每年大約18次的強震地震災害，往往造成大量人員傷亡和重大經濟損失。

隔震技術屬于抗震設計中的主動控制技術，通過設置隔震層“消弱上部結構與基礎、底部或下部結構的連接”“隔離輸入上部結構的地震能量”“增大結構阻尼、延長結構自振周期”。大量工程經驗和試驗表明，隔震一般可直接減少輸入上部結構的地震能量，結構的水平地震加速度反應可降低60%(降至非隔震設計時的40%左右)，從而有效地消除、減輕結構(非結構)構件的地震損壞，提高建筑物及內部人員設施的地震安全性，對特殊建筑(如醫院、供水供電生命線工程、核電站等)還可實現地震(尤其是強烈地震)時迅速恢復及不中斷使用功能的要求。

“隔震設計”作為設計理念在GB 50011-2001建筑抗震設計規范中以強制性條文被明確提出，同時制定的還有JG 118-2000建筑隔震橡膠支座、CECS 126∶2001疊層橡膠支座隔震技術規程、103SG610-1建筑結構隔震構造詳圖等。經過10多年的應用以及完善，在新GB 50011-2010建筑抗震設計規范(以下簡稱規范)中明確指出:建筑結構采用隔震與消能減震設計是一種有效減輕地震災害的技術［1］。隔震與消能減震設計的應用范圍被進一步地擴大。

1 隔震的概念、原理

1．1 隔震的概念

在房屋基礎、底部或下部結構與上部結構之間設置(如由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成的具有復位功能的)隔震層，以延長整個結構的自振周期，減少輸入上部結構的水平地震作用，達到預期防震要求［1］。

1．2 隔震的原理

一般來說建筑物的地震反應取決于自振周期和阻尼特性兩個因素。如圖1所示為一般低層以及多層建筑的加速度與位移反應譜［2］。

圖1 結構反應譜曲線

可見通過在房屋結構的底部(可在基礎、地下室頂板、下部結構與上部結構之間如裙房頂等)設置隔震裝置系統形成隔震層，隔離地震能量向上部結構的傳遞，降低建筑物加速度，延長上部結構的基本周期，避開地震地面運動的主頻帶范圍，減免共振效應;同時適當增加的結構阻尼使結構的位移基本集中于隔震層，地震時建筑物上部結構類似于剛體平動，以第一振型為主;隔震層相對位移較大而結構本身位移很小，結構基本上處于彈性工作狀態。

2 隔震系統的類型

隔震系統是由隔震器、阻尼器和復位(風反應控制與地基微震動)裝置等組成。阻尼器可單獨設計，也可與隔震器合為隔震支座一種元件以方便使用，必要時尚需設置防風鎖定裝置。

隔震系統常用的有摩擦滑移加阻尼器隔震系統、疊層橡膠支座隔震系統、摩擦滑移擺隔震系統、組合基礎隔震系統等，目前比較成熟的是疊層橡膠支座隔震系統。

國內外常見的疊層橡膠支座有:標準疊層橡膠支座(MRB)，鉛芯疊層橡膠支座(LRB)，高阻尼疊層橡膠支座(HD-MRB)，內包阻尼體疊層橡膠支座(DRB)。鉛芯疊層橡膠支座在我國使用最多，標準疊層橡膠支座的使用稍少。

3 隔震設計對結構的要求

1)隔震層應提供必要的側向剛度、阻尼及足夠的豎向承載力。

2)非地震作用的其他水平荷載(如風荷載)標準值產生的總水平力不宜超過結構總重力的10%。

3)工程經驗表明:地震波的中、高頻分量易被軟弱場地濾掉，若在其上建造隔震房屋，延長的結構周期將增大而不是減小其地震反應。因此《規范》要求隔震結構建筑場地宜為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類等硬土場地，并應選用穩定性較好的基礎類型。當在Ⅳ類場地建造隔震房屋時，應進行專門研究和專項審查。

4)根據橡膠隔震支座抗拉屈服強度低的特點，《規范》要求隔震結構最大高度應滿足規范非隔震結構的要求，變形特征接近剪切變形，高寬比宜小于4，且不應大于相關規范規程對非隔震結構的具體規定。采用隔震設計時應對高寬比大于4或非隔震結構相關規定的結構進行專門研究。

5)2008年汶川地震中，位于7，8度區的隔震建筑，上部結構完好，但隔震層的管線受損。為適應隔震層的罕遇地震水平位移，穿過隔震層的設備配線、配管應采用柔性連接等有效措施，同時采取防火措施。

4 隔震方案的選擇

目前隔震設計已屬于結構抗震設計的成熟技術，應能適合工程的具體情況，在符合《規范》3．5．1條規定的基礎上，應根據抗震設防類別、設防烈度、場地條件、使用功能確定建筑、結構隔震設計方案。并進行技術可行、經濟適用、安全可靠等方面論證，且應與采用抗震設計的方案進行對比分析。進行方案分析比選時，結果應顯示出隔震設計方案比抗震設計方案在提高結構抗震能力上的優勢。

5 我國隔震技術的典型應用

我國學者李立早在20世紀60年代開始進行基礎隔震理論的探索，80年代中后期，90年代我國展開以周福霖院士為首的橡膠隔震技術全方位(隔震制作研究、性能檢測、結構模型試驗、分析設計方法、施工技術等)的研究。

實例一:1989年，周福霖主持承擔了由聯合國和中國自然科學基金資助的隔震科研項目，經過近4年的試驗研究和奔走協調，于1993年在汕頭市主持設計建成了我國首棟采用夾層橡膠墊的多層隔震住宅——汕頭市陵海路八層框架結構商住樓(1992年3月動工，1993年9月完工)，它是當年世界上最高最大的隔震住宅樓。汕頭市陵海路隔震樓適當改變上部結構的設計(抗震烈度降低1度)，補償了隔震基礎所增加的費用(比常規抗震房屋節省了7%)，使房屋既安全又經濟，開創了這一領域的先河。

1994年，在汕頭召開了有18個國家、120名專家參加的國際會議，對該項目進行現場示范介紹。聯合國的代表對此項目給予很高的評價:“汕頭多層隔震房屋是把隔震技術用于量大面廣的住宅房屋的最成功范例，它是世界隔震技術發展的第三個里程碑。”

實例二:由周福霖主持的北京通惠家園小區是國內平臺面積最大且是首個位于地鐵上蓋的隔震樓群。北京地鐵地面樞紐站平臺上的通惠家園小區隔震樓群的經濟效益如下:

1)經廣州大學工程抗震研究中心模擬振動試驗，房屋從6層增加到9層，住宅面積增加近10萬m2，凈增產值達2．4億元。

2)平臺的地震反應降為2/3，解決了已建平臺抗震性能不足的設計“瓶頸”。

3)抗震安全度提高近4倍。

實例三:布谷孜大橋，是我國第一座9-32 m采用鉛芯橡膠支座進行減隔震設計的后張法預應力混凝土梁橋。該橋處于近年地震活動頻繁的高烈度9度地震區，在2003年2月新疆巴楚—伽師6．8級地震中，震區的其他鐵路橋均發生不同程度破壞造成交通中斷，唯有距震源只有40 km的布谷孜大橋屹立不倒及時向災區輸送了救援物資。實踐證明，合理的隔震設計保證了該橋在強震作用下的安全性，在震后救援和重建工作中起到重要作用。

實例四:西安330 kV西北郊變電站中的110 kV配電樓是隔震技術首次應用于電力系統中，它降低了上部結構的抗震設防烈度(8度降為7度)，改善了結構的抗震性能，降低了CIS設備層的地震加速度反應，提高了該層設備在地震作用時運動安全性。實踐證明取得了良好的效果。

6 隔震設計應注意有待解決的問題

1)對高寬比大、不符合《規范》要求的結構，在進行隔震設計時需進行整體抗傾覆驗算，防止支座壓屈并控制支座拉應力不超過1 MPa。驗算隔震支座拉、壓力時，應按罕遇地震作用計算并留有適當余地。

2)地震波在軟弱(夾層)場地的傳播特性尚不明確，軟弱場地、場地有軟弱夾層、下部結構變形過大的情況下應慎用隔震技術。

3)計算隔震上部結構水平地震作用時，隔震系統力學性能與水平向減震系數兩者之間變化規律有待深入研究。

4)目前的隔震系統對豎向地震作用無隔離效果，隔震裝置在豎向地震作用下的反應還有待進一步探討。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］．

［2］王社良．抗震結構設計［M］．第4版．武漢:武漢理工大學出版社，2011:221-231．

［3］朱炳寅．建筑抗震設計規范應用與分析［M］．北京:中國建筑工業出版社，2012:504-508．

［4］日本建筑學會．隔震結構設計［M］．劉文光，譯．北京:地震出版社，2006．