建筑隔震与消能减震

第十五讲建筑隔震与消能减震设计规定

一、隔震与消能减震是减轻建

筑结构地震灾害的新技术

地震释放的能量以震动波为载体向地球表面传播。

通常的建筑物因和基础牢牢地连接在一起，地震波携带的能量通过基础传递到上部结构，进入到上部结构的能量被转化为结构的动能和变形能。在此过程中，当结构的总变形能超越了结构自身的某种承受极限时，建筑物便发生损坏甚至倒塌。

1、什么是房屋结构的“隔震设计”

《隔震》，即隔离地震。在建筑物基础与上部结构之间设置由隔震器、阻尼器等组成的隔震层，隔离地震能量向上部结构传递，减少输入到上部结构的地震能量，降低上部结构的地震反应，达到预期的防震要求。地震时，隔震结构的震动和变形均可只控制在较轻微的水平，从而使建筑物的安全得到更可靠的保证。表15.1列出了隔震设计和传统设计在设计理念上的区别。

表 15.1 隔震房屋和抗震房屋设计理念对比

隔震器的作用是支承建筑物重量、调频滤波，阻尼器的作用是消耗地震能量、控制隔震层变形。隔震器的类型很多。目前，在我国比较成熟的是“橡胶隔震支座”。因此，本《规范》所指隔震器系指橡胶隔震支座（规范12.1.1条注1）。在隔震设计中采用其他类型隔震器时，应作专门研究。

2、什么是房屋建筑的“消能减震设计”

在建筑物的抗侧力结构中设置消能部件（由阻尼器、连接支撑等组成），通过阻尼器局部变形提供附加阻尼，吸收与消耗地震能量。这样的房屋建筑设计称“消能减震设计”。

采用消能减震设计时，输入到建筑物的地震能量一部分被阻尼器所消耗，其余部分则转换为结构的动能和变形能。这样，也可以达到降低结构地震反应的目的。阻尼器有粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、金属阻尼器、电流变、磁流变阻尼器等。

3、隔震和消能减震设计的主要优点

隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论和国外强震记录所证实。国内外的大量试验和工程经验表明：“隔震”一般可使结构的水平地震作用降低60％左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力。

采用消能方案可以减少结构在风作用下的位移已是公认的事实，对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的。

4、隔震和消能减震设计的适用范围

1)、隔震设计的适用范围

规范12.1.3条对隔震结构提出了一些使用要求。根据研究：

隔震结构主要用于体型基本规则的低层和多层建筑结构。日本和美国的经验表明，不隔震时基本周期小于1.0秒的建筑结构减震效果与经济性均最好，对于高层建筑效果较差。

国外对隔震建筑工程的较多考察资料表明：硬土场地较适合于隔震建筑；软弱场地滤掉了地震波的中高频分量，延长结构的周期有可能增大而不是减小其地震反应。墨西哥地震就是一个典型的例子。日本“隔震结构设计技术标准”（草案）规定，隔震建筑适用于一、二类场地。我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱周期均较小，故都可建造隔震建筑。

隔震设计中对风荷载和其他非地震作用的水平荷载给予一些限制（规范12.1.3条3款）是为了保证隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。

就使用功能而论，隔震结构可用于：医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑；首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋；图书馆和纪念性建筑；一般工业与民用建筑；建筑物的抗震加固。

2)、消能设计的适用范围

消能部件的置入，不改变主体承载结构的体系，又可减少结构的水平和竖向地震作用，不受结构类型和高度的限制，在新建和建筑抗震加固中均可采用。

二、隔震与消能减震设计要求

1、设计方案

建筑结构的隔震和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后，确定其设计方案。

隔震与消能减震设计第一次纳入我国《建筑抗震设计规范》，为积极、稳妥起见，应认真做好方案比较、论证工作。

2、设防目标

采用隔震和消能减震设计的房屋建筑，其抗震设防目标应高于抗震建筑。（规范第

3.8.2条）。

1)、在水平地震方面，本章表15.2、15.4及规范第12.2.6、12.2.9条等保证了隔震结构具有比抗震结构至少高0.5个设防烈度的抗震安全储备。

2)、规范规定：消能减震结构的层间弹塑性位移角限值宜大于1/80。提高了对框架及多高层钢结构等的弹塑性层间位移角限值要求。

3、隔震与消能部件

设计文件上应注明对隔震部件和消能部件的性能要求；隔震和消能减震部件的设计参数和耐久性应由试验确定；并在安装前对工程中所用各种类型和规格的消能部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量部应少于3 个，抽样检测的合格率应为100%；设置隔震和消能减震部件的部位，除按计算确定外，应采取便于检查和替换的措施。

消能部件应对结构提供足够的附加阻尼，尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。

三、 隔震设计要点

本规范隔震设计条文提出了分部设计法和水平向减震系数，在设计方法上建立起了一座联系抗震设计和隔震设计之间的桥梁，力图使设计人员已经熟悉的抗震设计知识、抗震技术在隔震设计中得到应用，这是本规范的重大特色。

1、分部设计方法

把整个隔震结构体系分成上部结构（隔震层以上结构）、隔震层、隔震层以下结构和基础四部分，分别进行设计。

2、上部结构设计

应用“水平向减震系数”设计上部结构。

1)、水平向减震系数概念

公式（15.1）及其符号解释，描述了本《规范》提出的“水平向减震系数”概念。

7.0/)(max i ψψ= （15.1-1）

i gi i Q Q /=ψ （15.1-2）

其中

ψ——水平向减震系数。

max )(i ψ——设防烈度下，相应于结构隔震与非隔震时各层层间剪力比的

最大值。

i ψ——设防烈度下，结构隔震时第i 层层间剪力与非隔震时第i 层层

间剪力比的最大值。

gi Q ——设防烈度下，结构隔震时第i 层层间剪力。

i Q ——设防烈度下，结构非隔震时第i 层层间剪力。

2)、水平向减震系数计算与取值