學(xué)校建筑隔震支座技術(shù)運(yùn)用探討

柴旭暉

甘肅省第五建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 甘肅 會寧 741000

建筑隔震技術(shù)是設(shè)置在建筑物下部和上部之間的隔震層，隔震層水平剛度較小、豎向剛度較大的情況下，能夠在發(fā)生地震時(shí)耗散、吸收地震的能量，從而達(dá)到減震的作用，是較為有效的建筑抗震技術(shù)。2021年9月1日，《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》正式實(shí)施，其中明確了村鎮(zhèn)居民、核電廠、砌體、大跨屋、高層隔震等建筑的隔震設(shè)計(jì)方案，也為歷史古跡、古老房屋的隔震基礎(chǔ)提供了新的解決方案。

本文以某職業(yè)技術(shù)學(xué)院為案例，重點(diǎn)分析學(xué)校建筑隔震支座技術(shù)的原理和應(yīng)用，并從政府管理、建筑施工單位的層面提出推廣應(yīng)用隔震支座技術(shù)應(yīng)用的具體對策，具有一定研究價(jià)值。

1 隔震支座技術(shù)概況

1.1 基本原理

建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是在建筑結(jié)構(gòu)的中下部之間增加隔震結(jié)構(gòu)，以此使自己振周期變長，通過阻尼作用減小地震時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)可以使建筑結(jié)構(gòu)更牢固、安全，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)震后的恢復(fù)功能，其原理如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)原理

1.2 技術(shù)分類

本文對建筑隔震支座技術(shù)的分類進(jìn)行詳細(xì)介紹，主要包括三種，即：半主動(dòng)隔震支座、三維隔震（振）支座、抗拉隔震支座。

目前，普遍使用的建筑隔震支座抗拉能力不能有效抵抗地震時(shí)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜的影響。在常用隔震制作基礎(chǔ)上，對抗拉隔震支座進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效增強(qiáng)隔震支座的抗拉能力，并降低對其承壓和水平隔震能力的影響。根據(jù)抗拉隔震支座的結(jié)構(gòu)，能將其分為四類，如表1所示。

表1 抗拉隔震支座的主要類型

1.3 三維隔震（振）支座

由于軌道交通導(dǎo)致的建筑震動(dòng)通常為垂直方向，為了降低軌道交通對附近建筑的震動(dòng)，可借助豎向減震技術(shù)。尤其是核電站等建筑，對豎向隔震性能也有較高要求，需增加豎向剛度偏弱的隔震支座。

發(fā)生地震時(shí)，豎向隔震（振）在水平方向上會儲層手傾覆力矩，豎向隔震（振）支座兩側(cè)的結(jié)構(gòu)會在拉力作用下發(fā)生形變，會引起隔震支座的搖晃、破壞。豎向隔震（振）支座豎向剛度能夠使軌道交通、地震引起的震動(dòng)響應(yīng)減小，借助水平隔震能夠使地震水平方向上的影響降低，使傾覆力矩降低，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)晃動(dòng)。按照變形結(jié)構(gòu)和原理，能將三維隔震（振）支座分成兩類，即：組合型、單一型，如圖2所示。

圖2 三維隔震（振）支座的分類

1.4 半主動(dòng)隔震支座

半自動(dòng)控制、主動(dòng)控制是一種新型的震動(dòng)控制技術(shù)，該技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)震動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，引入現(xiàn)代控制領(lǐng)域的智能控制、自適應(yīng)、路魯棒性、最優(yōu)控制等結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制技術(shù)，能夠在能量輸入有限的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身結(jié)構(gòu)響應(yīng)和外部擾動(dòng)對控制裝置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對建筑結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)有明顯的抑制作用。該類控制技術(shù)能夠解決常規(guī)被動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生的問題和不足。半主動(dòng)隔震支座是在建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中使用半主動(dòng)控制，對于上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和隔震層的位移都能起到一定的抑制作用。

半主動(dòng)控制隔震支座的技術(shù)有兩類，即：調(diào)整隔震結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，如表2所示[1-3]。

表2 半主動(dòng)隔震支座類型

2 學(xué)校建筑隔震支座技術(shù)運(yùn)用案例

2.1 工程概況

某職業(yè)技術(shù)學(xué)院8號、9號學(xué)生公寓樓項(xiàng)目，總建筑面積為15532.09平方米，其中地上建筑面積為13208.81平方米（8#宿舍樓6241.93平方米、9#宿舍樓6280.30平方米、連接體500.10平方米、服務(wù)用房186.48平方米），地下建筑面積為2323.28平方米。

項(xiàng)目地上建筑包含東西兩棟六層宿舍樓，中間為二層連接體，地下一層，建筑高度22.20米，地上層高均為3.60米，地下層高為4.20米。服務(wù)用房地上2層，層高為3.6米，建筑高度7.35米。

抗震設(shè)防烈度為八度；地上耐火等級為二級，地下耐火等級為一級。屋面防水等級為二級，建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年。該項(xiàng)目使用各型號隔震支座共計(jì)84套。

2.2 抗震方案

某職業(yè)技術(shù)學(xué)院8號、9號學(xué)生公寓樓項(xiàng)目抗震級別為乙類，按照《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)范，應(yīng)根據(jù)該區(qū)域內(nèi)抗震設(shè)防烈度8度的要求進(jìn)行抗震、隔震施工。地震分組是三組，水平系數(shù)最大值0.16，加速度0.3g。

某職業(yè)技術(shù)學(xué)院8號、9號學(xué)生公寓樓項(xiàng)目采用減隔震的隔震設(shè)計(jì)方案，根據(jù)地震水平系數(shù)0.08，根據(jù)設(shè)防烈度確定抗震等級并控制軸壓比，隔震層上方結(jié)構(gòu)抗震等級為二級。

根據(jù)某職業(yè)技術(shù)學(xué)院8號、9號學(xué)生公寓樓項(xiàng)目平面不規(guī)則、結(jié)構(gòu)立面等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減隔震設(shè)計(jì)方案如下：

（1）結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)不同區(qū)域之間受力分布的改變和層間位移的變化特性，評估受力特征的負(fù)面影響，通過加強(qiáng)手段和減震措施，根據(jù)平扭耦聯(lián)計(jì)算扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在計(jì)算時(shí)考慮雙向水平地震、偶然偏心等；（2）當(dāng)預(yù)設(shè)水平作用存在時(shí)，控制結(jié)構(gòu)的樓層位移比小于1.5；（3）將樓層側(cè)移剛度的控制在相鄰三個(gè)樓層平均側(cè)移剛度的80%或相鄰兩個(gè)樓層平均側(cè)移剛度的70%；（4）增加電梯間四周板的厚度，配備雙層、雙向配筋，使樓板的配筋率增加。

2.3 教學(xué)樓構(gòu)造分析

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)縱向、水平方向上的平動(dòng)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)和振動(dòng)周期，計(jì)算柱的軸壓比，使其均值不大于0.65，保證建筑結(jié)構(gòu)的延性良好。保證建筑的各指標(biāo)符合抗震規(guī)范，柱、梁沒有超限的情況。在地震發(fā)生時(shí)，使建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，地震力、周期、自振位移等指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，屬于正常范圍內(nèi)。

經(jīng)綜合評估，根據(jù)某職業(yè)技術(shù)學(xué)院8號、9號學(xué)生公寓樓項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，抗震設(shè)計(jì)方案科學(xué)、有效。

2.4 減隔震設(shè)計(jì)

結(jié)合建筑實(shí)際使用、結(jié)構(gòu)和抗震功能設(shè)計(jì)的需求，在樓板（±0.00m）下方的1米和-1.6米處分別放置隔震支座，隔震層的高度分別為1米和1.6米。將基梁、基礎(chǔ)承臺放在下支墩和隔震層下方。

設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)各層剛度時(shí)，要保證隔震層下方和上層建筑結(jié)構(gòu)在水平方向上的剛度遠(yuǎn)高于隔震支座水平剛度；建筑結(jié)構(gòu)上層的水平剛度要遠(yuǎn)小于隔震支座上方梁板、砼隔震支墩的水平剛度；隔震層上層結(jié)構(gòu)的重量由全部由隔震層下方結(jié)構(gòu)支撐，建筑整體結(jié)構(gòu)和各指標(biāo)滿足隔震設(shè)防地震預(yù)設(shè)承載力、嵌固剛度比的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算抗剪承載力需要根據(jù)罕見地震的情況參考。

設(shè)計(jì)減隔震結(jié)構(gòu)之前，要驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和可靠性，可將模型的結(jié)果與PKPM（Satwe）模型對比，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。

2.5 抗震評估

根據(jù)建筑物產(chǎn)地類別和預(yù)設(shè)地震分組，采用時(shí)程分析法模擬人工進(jìn)行加速度并記錄強(qiáng)震數(shù)據(jù)，觀察時(shí)程平均反應(yīng)譜，并將其與標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜進(jìn)行對比。當(dāng)二者相似時(shí)，表明項(xiàng)目的減隔震設(shè)計(jì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求[4-6]。

3 隔震技術(shù)在學(xué)校建筑應(yīng)用推廣的建議

3.1 政府職能部門

3.1.1 建設(shè)行政主管部門

①大力普及和宣傳建筑減震的有關(guān)知識，提升行政部門的認(rèn)知度；②組織臨高、員工到隔震建筑工地進(jìn)行實(shí)地參觀，為員工提供隔震技術(shù)培訓(xùn)；③將隔震工程案例、專項(xiàng)審查資料等保存入庫，建立隔震技術(shù)專家?guī)臁⒏粽痦?xiàng)目資料庫。

3.1.2 城市規(guī)劃管理部門

①在城市賑災(zāi)中，隔震建筑期得到了應(yīng)急指揮和救護(hù)的作用，所以應(yīng)積極支持建設(shè)隔震建筑;②應(yīng)參照《建筑工程建筑面積計(jì)算規(guī)范》(GB/T5053—2013)中明確的記錄了建筑中隔震層的面積，由于其是用于檢修的，所以并不將其計(jì)入容積率和建筑面積。按照建設(shè)單位要求，開放架空隔震層。

3.1.3 工程造價(jià)管理部門

①按照隔震建筑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，編制配套構(gòu)建、預(yù)埋件、隔震支座的清單；②在工程造價(jià)里體現(xiàn)由于隔震層施工工期延長而額外付出的成本。

3.1.4 工程質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)

①按照國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和規(guī)范，聘請專家為員工提供隔震技術(shù)講座；②按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行柔性連接、預(yù)留隔震溝（縫）、第三方檢測等隔震層防火和結(jié)構(gòu)。

3.2 建設(shè)相關(guān)單位

3.2.1 建設(shè)單位

①聘請相關(guān)專家在建設(shè)前為建設(shè)單位的員工提供隔震設(shè)計(jì)的咨詢，評估項(xiàng)目技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性；②探索、研究建筑隔震技術(shù)的應(yīng)用，盡量縮短工期、減少投資、降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 建筑設(shè)計(jì)單位

①聘請相關(guān)專家為設(shè)計(jì)單位的員工提供隔震設(shè)計(jì)相關(guān)的培訓(xùn)，提升技術(shù)水平；②協(xié)調(diào)好各工序，包括柔性管線、給排水、電氣、隔震層關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)等。

3.2.3 工程施工單位

①聘請相關(guān)專家為施工單位的員工提供隔震技術(shù)、隔震建筑施工相關(guān)的培訓(xùn)，到隔震技術(shù)成功應(yīng)用的地區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，提升隔震建筑施工技術(shù)水平；②根據(jù)國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目實(shí)際情況，編制隔震層施工方案；③與支座安裝團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)溝通，試安裝預(yù)埋件；④聘請專業(yè)團(tuán)隊(duì)安裝。

3.2.4 工程監(jiān)理單位

①聘請相關(guān)專家為質(zhì)檢部門的員工提供隔震技術(shù)、隔震建筑施工相關(guān)的培訓(xùn)，到隔震技術(shù)成功應(yīng)用的地區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，提升隔震建筑施工監(jiān)督質(zhì)量；②根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，編制隔震層施工標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)理規(guī)劃；③安裝隔震支座過程中采用旁站工作方式；④取樣隔震支座后送檢。

3.2.5 隔震裝置生產(chǎn)企業(yè)

①根據(jù)隔震結(jié)構(gòu)制造標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)、設(shè)計(jì)；②按照合同提供服務(wù)，保證隔震層質(zhì)量；③明確隔震層各結(jié)構(gòu)的尺寸、參數(shù)，符合施工需求。

3.2.6 建筑使用單位

①明確建筑中隔震結(jié)構(gòu)、隔震層的必要性，避免私自改造各鎮(zhèn)層附近的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致隔震層在水平方向上發(fā)生變形；②維護(hù)、管理、使用隔震建筑的規(guī)范制度[7-10]。

4 結(jié)論

在各種自然災(zāi)害中，地震較為常見，且對人類生命安全帶來較大威脅。在學(xué)校建筑中合理運(yùn)用減隔震技術(shù)，能夠增強(qiáng)學(xué)校建筑質(zhì)量。按照抗震標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建筑減隔震層，能夠增強(qiáng)學(xué)校建筑的可行性和有效性。