淺談橡膠支座隔震技術在房屋建筑領域的應用

楊 樺, 羅 英, 李云飛

(中國水利水電第十工程局有限公司， 四川成都 610072)

地震是由于地殼運動，以波的形式傳遞到地面，是地面上原本靜止的建筑物受地震波的作用而產生振動，而在結構中產生內力、變形和位移，結構因此會遭受破壞。地震作為一種突發性的自然現象，雖然說是不可避免，但隨著社會的進步以及科技的發展，建筑抗震方案也越來越成熟，使得我們可以有效的降低地震帶來的風險，從而保證人民生命安全和財產安全。

為了提高建筑物抗震性能，傳統的結構設計方案為增加上部結構含鋼量和結構尺寸，通過增大整體的剛性從而抵抗地震作用的破壞，而針對9度抗震設防地區而言，傳統的設計方案明顯不是一個明智的選擇，隨著近年來柔性隔震技術理論的提出及應用，在滿足了的結構的使用性和安全性要求的同時，也為9度抗震設防地區這類特殊地區的結構設計提供了新的思路。

1 橡膠隔震技術原理

橡膠支座隔震技術是通過在建筑物基礎與上部結構之間增設一層隔震轉換層，轉換層設置安裝橡膠支座作為隔震耗能元件，將上部結構與基礎分開，建筑物在設置安裝隔震元件后，可以增加建筑物的變形能力和滯變阻尼；變形能力的增加可以使結構在遭受地震作用時吸收更多發的能量，從而使得建筑物能更好的在地震作用下維持不倒塌；而滯變阻尼的增大可以使結構在地震作用中耗散更多的能量，與此同時，結構變形能力的增大(剛度變小)，會導致振型的頻率變小，周期變大，這與增大的阻尼一起結合，可以使地震影響系數變小，減少地震下的作用。除此之外，由于建筑物結構有了足夠的變形能力和足夠大的滯變阻尼，使得建筑物底部產生較為均勻的應力分布，這很好的利用了結構的材料性能，同時還避免一些常見的基礎底部破壞發生的可能性(圖1、圖2)。

圖1 隔震支座

圖2 傳統結構與抗震結構的比較

2 隔震結構的應用范圍

隔震對建筑的結構型式和材料沒有特別的要求，無論結構為鋼筋混凝土框架結構、鋼筋混凝土框架-剪力墻結構、鋼筋混凝土板柱-剪力墻結構還是砌體結構等，都可以采用隔震設計，從隔震原理來說，隔震是將結構的周期延長，避開地震中的長周期部分，減小上部結構的損壞，因此從減震效果考慮，采用隔震措施的建筑最好滿足以下條件：

(1)建筑物場地土具有足夠的承載力，盡量建造在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地上。這樣可以有效避開隔震后的結構周期，避免場地土與建筑之間發生共振。

(2)鋼筋混凝土結構的房屋層數在10層左右，高度35m左右；砌體結構的房屋層數為7層左右，高度20m左右。結構高度和層數在此范圍內，可保證結構在隔震前周期較短，隔震后減震效果較明顯。

(3)鋼筋混凝土結構和鋼結構房屋的高寬比在2.5左右，砌體結構在2.0左右(高寬比宜不大于4)。過大的高寬比容易造成上部結構傾覆。

(4)隔震裝置設置在基礎與上部結構之間或在地下室柱頂。

(5)與相鄰的建筑物之間最少有20cm的距離，以保證隔震建筑作用時有移動空間。

3 隔震結構的優勢

3.1 安全可靠

建筑采用隔震設計時，不僅可以保證結構主體構件安全，同時也能保證內部設備功能完好，地震后能夠正常運轉。隔震結構受地震作用的影響僅為傳統抗震結構的1/6～1/3，在很大程度上削弱了地震力作用，從而保證上部結構的安全，因此，采用隔震設計的建筑與傳統結構建筑相比，無疑更加的安全可靠。

3.2 更經濟

一般而言，隔震設計額外增加的隔震支座及轉換層會增加造價，同時地下室梁柱的加強也會一定程度上增加造價，但由于增加了隔震技術，使得上部結構受地震力作用明顯減小，在上部結構設計時可以適當減小構件尺寸及含鋼量，使得上部結構的造價降低，綜合計算，總造價會有一定程度的降低。具體分析如下。

3.2.1 減少部分

(1)由于上部結構地震作用的減小，上部結構構件截面及配筋可相應減小，結構型式及方案可進一步優化調整，甚至上部結構可由框架—剪力墻結構優化為框架結構，砌體結構也可增加層數或高度。與傳統的抗震結構相比，上部結構鋼筋混凝土工程造價一般可降低20 %左右。

(2)內外裝飾連接及門窗框相應減少。

(3)電梯、機房等設備有一定程度優化改善。

3.2.2 增加部分

(1)隔震支座及阻尼器會額外增加費用，且該部分占用的總造價比例較高；一般而言，橡膠隔震支座的價格5萬～10萬元/個，若按建筑面積進行估算，當上部結構為鋼筋混凝土框架結構時，橡膠支座的價格為50～100元/m2。

(2)與傳統結構相比，增加的隔震轉換層額外增加費用。

(3)隔震層對應的主樓地下室的梁、柱截面尺寸加強增大。

(4)穿過隔震層的管線等，為了考慮結構可能產生的變形和位移，必須進行柔性連接，因此增加一定的費用。

(5)因為需要增設隔震層，與傳統結構設計相比，開挖深度相應加深，同時，擋土墻也會一定程度的加強，因此也增加額外的費用。

因此，在初步設計階段，可由設計單位針對兩種方案的造價進行對比，大致估算兩種方案的差價，從而綜合考慮是否采用隔震設計。當然，除上述情況外，還有其他因素會影響隔震工程的造價，例如：建筑所在地區的抗震設防等級、上部結構的設計型式、建筑高度及面積、隔震設備的選型及布置數量、施工單位的技術水平等。綜合來看，建筑所在地區的抗震設防等級越高，采用隔震設計的經濟效益越明顯，9度抗震設防地區尤甚。同時，在達到隔震效果的前提下，建筑層數越多，隔震設計的經濟效益越好。以整個項目為基礎進行估算，采用隔震設計大約能節約造價1 %～4 %。

3.3 檢修方便

傳統抗震結構在遭受地震破壞時，檢查會存在極大困難，并且很難進行修復加固，并且修復加固費用較高；而對于隔震結構設計，由于其隔震效果主要通過隔震支座實現，因此其抗震性能檢測的主要對象是隔震支座，這比檢測結構本身要快捷方便很多，抗震支座損壞后可進行更換，它能確保地震后的快速修復，對震后快速回復生產和生活具有十分重要的意義。

3.4 上部結構設計更自由

由于采用隔震技術，上部結構地震作用大大減小，因此，結構選型更自由靈活。上部結構鋼筋含量、剪力墻、梁截面等均有不同程度減少，建筑使用面積也會有一定的增大。

5 結束語

建筑隔震技術作為一種新型的結構抗震理論，無疑具有獨特的優勢和良好的發展前景，特別是針對9度抗震設防地區而言，不僅能夠降低造價，而且可以保證結構更加安全可靠，上部結構設計更加靈活自由。但也因為其發展的時間較短，使得國家、地方及行業的相關規范并不是十分完備，實力雄厚的廠家及經驗豐富的專業施工隊伍也相對較少，具有相應資質和實力的設計單位同樣不多，一般都是由專業廠家配合設計單位完善隔震設計。因此，采用隔震設計，對于設計單位和施工單位無疑都是一種考驗。但是，不能因為困難就放棄采用，隔震設計在9度抗震設防地區的優勢是明顯優于傳統的抗震結構，其產生的經濟效益及社會效益均相當可觀，具有廣泛推廣實施的意義，同時，隔震結構設計也將會是9度抗震設防地區等特殊地區抗震設計的發展趨勢。