建筑结构隔震技术

建筑结构隔震技术

福州市规划设计研究院教授级高工夏昌

0引言

2008年5月12日，我国四川省发生里氏80级特大地震，造成死亡、失踪8万余人，房屋倒塌数千万平米的重大损失。纵观世界范围，20世纪由于地震而死亡的人数，中国人占到60％，三十年前唐山大地震的惨烈景象历历在目，三十年后悲剧再度重演，如何做好防震减灾，如何保证房屋在地震中的使用功能，保护人民生命财产的安全，成为我们要迫切解决的问题。

让我们首先探讨现行结构抗震设计存在的问题。

1结构传统抗震设计存在的问题

传统的结构抗震技术，自新中国成立以来，经过长期的研究，多版本抗震规范的完善，在工程实践中已有显著成果，但是，传统抗震设计仍存在诸多问题：

1）抗震设防思想落后：

设计人员错误把“设防烈度”当作保证安全的准确指标，而实际上，预防为主不是预报为主，地震预报工作远未达到成熟的水平。中长期预报很不准确，地震区划方法、地震危险性分析方法有待提高。基于上述不准确的“中长期预报”只能定出不准确的“设防烈度”，突发强地震时，难于控制结构受损程度，难保证不倒塌。

我国近年来发生的典型大地震烈度（设防烈度）如下：

1966年，邢台大地震， 10度（6度）；

1975年，海城大地震， 9、10度（6度）；

1976年，唐山大地震， 11度（6度）；

2008年，汶川大地震， 11度（7度）。

因此，抗震设计既应满足“按烈度设防”，也要考虑防御高烈度的大地震。2）适应性问题：现有抗震技术只要求保护结构在设防烈度内可修、不倒，未保护非结构构件及装修，未保护内部设备、仪器。

3）采用抗震技术设计时，若建筑设计复杂结构更易破坏：

不规则平面扭转破坏，不规则立面层间剪切破坏。

结构传统抗震设计存在的上述问题，极大的制约了我们防震减灾目标的完美实现。如何做到在突发强地震时房屋不坏、不倒，保护室内装修和内部设施，保护人民生命财产安全，经过多年的探索，更为科学的结构减震控制技术已臻成熟。2结构减震控制技术

在工程结构的特定部位，装设某种装置（如隔震垫），或某种机构（如消能支撑），或某种子结构（如调频质量），或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，这就是结构减震控制技术。结构抗震技术和减震技术机理对比如下表1。工程结构减震控制技术的方法主要有：隔震技术、消能减震技术、调谐减震技术、主动控制技术、半主动混合控制技术。

隔震（免震）技术是指：在建筑物的内部设置既能支撑建筑物本体重量，又具有在水平方向自由变形能力的隔震层，将地震时产生的水平变形集中于隔震层。在隔震层中，设置用于吸收和消耗地震输入能量的隔震器。

传统抗震隔震

概念加强构件调整结构动力参数（设柔性层，

变形集中）

途径硬抗地震隔离能量传递

目标可坏、不倒不坏，处于弹性

保护对象结构结构及内部装修和仪器设备

设计方法强度刚度强度及结构反应控制

动吸收消耗地震能量，控制建筑物的振动反应，抑制建筑物上部结构产生较大反应加速度（地震力）与位移，减低地震时结构体的损毁。

调谐减震技术是指：以高层建筑物为对象，在建筑物的顶部设置与建筑物的固有振动周期完全相同的“质量阻尼”系统，与建筑物产生共振来减轻本体振动。这种技术不提供外部能量，只是通过调整结构的频率特性来实现减震，称为被动调谐减震控制（TMD技术）。

上述诸项减震控制技术中，运用最成熟、最广泛的是叠层橡胶垫隔震技术，即采用叠层橡胶隔震垫为隔震器的隔震技术。

所谓叠层橡胶垫隔震垫，是指由钢板和橡胶叠合而成，具有很大的竖向刚度（相当于同截面钢筋砼柱）和较小的水平刚度（约为同截面钢筋砼柱的1/1000），分为普通型（GZP*）支座和有铅芯型（GZY*）支座，目前我国采用的是《建筑隔震橡胶支座》JG118-2000 建设部产品标准，我国已能提供质量高、价格适当的系列产品。

3隔震结构设计

在结构的薄弱层或受力集中部位设置隔震层，利用隔震垫的变形吸收地震能量，从而避免结构主体受损，此为隔震结构原理和特点。与传统的抗震结构设计相比，隔震结构因设置了非线性的隔震层而有其独特性，限于目前规范的制约、软件的制约，其设计流程一般如下：

31方案和初步设计

从建筑功能、场地条件、经济性等方面，选择是否采用隔震，并初步确定隔震结构的方案――隔震层设置在何位置、上部结构的类型和参数、隔震支座布置方案、下部结构方案等。

是否采用隔震技术，《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗震规范》）规定（3 81）：隔震与消能减震设计，应主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。

《建筑抗震设计规范》对采用隔震技术结构的具体要求是：

1）结构体型基本规则，不隔震时两主轴方向结构基本自振周期小于10s。2）建筑场地宜为I、II、III类，基础类型稳定性较好。

3）风荷载和其它非地震作用产生的总水平力不宜超过结构总重力的10％。

设计中，首先按抗震结构一般原则布置结构体系，利用STAWE等软件进行抗震计算，所得柱底力按结构重要性要求布置隔震垫，隔震垫的布置应尽量使隔震层的刚心与上部结构的质心重合，阻尼器尽量设置在建筑物的四周以减小扭转。

3.2动力分析计算

隔震结构的动力分析计算主要围绕求解水平向减震系数和隔震层位移这两个参数，具体分析方法是时程分析法，即利用具有非线性时程分析功能得MIDAS、

ETABS等软件，以适合拟建工程建设场地类别的三条地震波分别计算（选定波应按《抗震规范》表512-2调值），求得隔震结构小震时层间剪力的平均值和罕遇地震时平均隔震层位移，藉此确定水平向减震系数，验证隔震层位移。1）层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系如下表2：

表2

层间剪力最大比值0.53 0.35 0.26 0.18

水平向减震系数0.75 0.50 0.38 0.25

水平向减震系数不宜低于025。

2）罕遇地震时隔震支座位移应满足：

Ui≤[Ui]（[Ui]≤ 0.55D且3tr）

D：隔震支座直径；

tr：隔震支座橡胶层总厚度。

33上部结构设计

隔震结构上部结构可按传统抗震的设计方法计算，水平地震作用取隔震后的数值，即取水平地震作用放大系数为减震系数，计算结果应调整，使地震力满足隔震后结构的总水平地震作用不低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，各楼层的水平地震剪力符合最小地震剪力系数要求（《抗震规范》1225）。上部结构抗震等级按（《抗震规范》1227确定，隔震建筑的抗震措施如下表3：

建筑类别抗震措施

甲、乙类不降低

丙类6度不降低

丙类7－9度水平向减震系数075不降低

丙类7－9度，水平向减震系数不大于0.5 部分抗震构造措施降低

3.4隔震层设计

隔震层设计包括隔震装置在罕遇地震下的验算，隔震装置与上下结构之间的连接计算，建筑构造处理等。

1）隔震支座的水平屈服荷载验算：

1 4 Vwk≤Vrw

Vrw：隔震支座总屈服力设计值；

Vwk：风荷载下隔震层水平剪力标准值。

2）隔震层弹性水平恢复力验算：

K100tr≥1 4 VRW

K100：隔震支座在水平剪切应变100%时的水平有效刚度。

3）隔震支座罕遇地震下的拉应力验算：

利用上部结构时程分析所得柱底力直接判断，不宜出现拉应力。

4）隔震支座与结构主体的连接：一般由厂家产品保证。

5）隔震层构造：

隔震层顶部梁板加强，现浇板厚度不宜小于140mm。隔震装置必须能自由移动：周边：设防震缝，缝宽不小于罕遇地震下水平位移12倍；

出入口、楼电梯：上下部结构应分离；