隔震技术

二、隔震技术
“隔震”，即隔离地震。

在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层，隔离地震能量向上部结构传递。

降低上部结构的地震作用，达到预期的防震要术,使建筑物的安全得到可靠的保证。

它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。

隔震包括基础隔震和层间隔震。

隔震体系能够减小结构的水平地震作用，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，已被理论和国内外实发地震所证实。

基础隔震技术是用水平力很“柔”的隔震元件将上部建筑与基础隔离，由于隔震层的刚度很小。

当地震发生时，隔震层将发挥“隔”的作用，承受地震动引起的位移运动，而上部结构只作近似平动。

1.结构隔震体系的基本特征
隔震体系一般具有以下基本特征：
(1).足够的竖向承载力。

隔震装置具有较大的竖向承载力，在建筑结构物使用状态下，安全的支承上部结构的所有荷载，竖向承载力安全系数必须大于6，确保建筑结构物在使用状态下的绝对安全和满足使用要求。

(2).隔震特性。

隔震装置具有可变的水平刚度，在强风或微小地震时，具有足够的水平刚度，上部结构水平位移极小，不影响使用要求。

在中等强度地震下，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使刚性的抗震结构体系变为柔性隔震结构体系，其固有自振周期大大延长，远离上部结构的自振周期和地面的场地特征周期，从而把地面震动有效地隔开，明显地降低上部结构的地震反应。

通常情况下，隔震体系上部结构的加速度反应值可降低为非隔震结构的1/4～l/12。

由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，所以，上部结构在地震中的水平变形，从传统结构的“放大晃动型”转变为隔震结构的“整体平动型”，使得上部结构在强烈地震中仍处于弹性状态，有效的保护结构本身，同时也能有效的保护结构内部装修和精密设备。

(3).复位特性。

由于隔震装置具有水平弹性回复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动复位功能，可满足震后的使用功能。

(4).阻尼消能特性。

隔震装置具有足够的阻尼，具有较大的消能能力。

(5).隔震结构体系能有效保护上部结构，因此在各种生命线工程、宿舍楼、商场、精密仪器室等重要
建筑中得到了广泛的应用。

[11]
2.基础隔震技术[1]
基础隔震是以“软化”结构、“以柔克刚”的方式来隔离地震使结构达到抗震目的，其实质是通过降低结构刚度，延长结构自振周期来减少结构的地震反应。

基础隔震技术适用面很广，尤其适用于量大面广的中、低层砖混房屋和钢筋混凝土房屋建筑：在高烈度地震区。

采用基础隔震技术建造的房屋，可以突破现行抗震规范中对房屋层数的限制。

在保证高宽比的前提下可以加高一到两层，这样可以增大建筑物的容积率。

节省建设用地，提高土地利用率。

近代的基础隔震技术基本上可分为两大类，即弹(粘)性隔震和基础滑动隔震。

目前应用、研究较广的隔震装置有：夹层橡胶垫隔震装置；滚珠(滚轴)加钢板消能装置；粉粒垫层隔震装置；铅塞滞变阻尼器隔震装置；钢滞变阻尼器隔震装置；基底滑移隔震装置；悬挂基础隔震装置；混合隔震装置等。

(1).叠层钢板橡胶支座的构造及减震原理 [3]
在弹(粘)性基础隔震中，叠层钢板橡胶垫隔震技术是世界上应用最广、实用性最好的一种柔性支承装置。

橡胶支座由薄钢板和薄橡胶板交替叠合经高温硫化粘结而成，所采用的橡胶一般有天然橡胶和氯丁胶。

氯丁胶除抗冻和弹性外，其他性能(耐油、耐腐蚀、抗老化和阻尼等)均优于天然橡胶。

由于在橡胶层中加设夹层薄钢板，而且橡胶层与夹层钢板紧密粘结，当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶板的横向变形受到约束，使橡胶支座具有很大的竖向承载力和竖向刚度。

因薄钢板不影响橡胶板的剪切变形，使橡胶板对任何水平方向的运动均呈柔性约束。

当橡胶支座承载水平荷载时，其橡胶层的相对侧移大大减少，使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致失稳，而且保持较小的水平刚度(仅为竖向刚度的l/500～1/1500)。

并且，由于夹层钢板与橡胶层紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定的拉力，使该种支座成为一种竖向承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值很大、又能承受竖向地震作用的理想的隔震装置。

减震阻尼钢板橡胶支座的竖向承载力可达50～200t，竖向压缩刚度可达200～3000t/cm，它们的水平刚度较小，约为0.25～1.8t/cm，水平极限位移约为25～50cm。

它们的剪切刚度是变化的，变形较小时刚度较大，中等变形时刚度最小，然后随变形的增大刚度又回升。

变形过大时刚度回升，起到保护和限制侧向位移的作用。

这种支座对于小震来说，结构就如同连在刚性基础上；对于强震来说，基底隔震系统一方面提供柔性滑动，另一方面可吸收大量能量，它由于局限所吸收的能量相当于临界粘滞阻尼吸收能量的35％。

另外，橡胶支座具有自复位功能。

根据对减震阻尼橡胶支座的不同阻尼比的要求，目前国内外主要采用下述几种不同材料制成的减震阻尼橡胶支座：
①.天然分层橡胶支座(MRB)
普通减震阻尼橡胶支座一般采用天然橡胶或氯丁二氯橡胶制造。

这种支座只具有弹性性质，本身并无显著的阻尼性能，因此，通常需要和阻尼器一起并行使用。

②.铅芯橡胶支座（LRB）
在普通减震阻尼橡胶支座中部竖直地灌入铅棒就成为铅芯减震阻尼橡胶支座。

灌入铅棒的目的：一是提高支座的吸能效果，确保支座有适度的阻尼；二是增加支座的早期刚度，对控制风反应和抵抗地基的微震动有利。

铅芯减震阻尼橡胶支座既有隔震作用又有阻尼作用，因此，它可以单独地在隔震系统中使用，而无须另设阻尼器，使隔震系统的组成变得比较简单。

由于纯铅材料具有较低的屈服点和较高的塑变耗能能力，使铅芯减震阻尼橡胶支座的阻尼比可达20％～30％。

由这种橡胶支座组成的隔震系统作为主导产品，已广泛应用于国外的大中型桥梁，并取得了良好的效果。

③.高阻尼橡胶支座（HD—MRB）
这种支座采用高阻尼橡胶材料制造。

高阻尼橡胶可以通过在天然橡胶中掺入石墨得到，根据石墨的掺入量可调节材料的阻尼特性。

高阻尼橡胶也可由高分子合成材料制成，这种人工合成橡胶不仅阻尼性能好，而且抗劣化性能也极佳，阻尼比可达到10％～15％。

和铅芯减震阻尼橡胶支座一样，高阻尼减震橡胶支座
同时具备隔震器和阻尼器两方面的功能，可在隔震系统中独立使用[6]。

为了能在时域上对考虑地基－结构动力相互作用的体系进行非线性分析，以基础隔震结构为力学计算
模型，隔层层为非线性的，见图2所示。

图中，M2为上部平台的质量，k2、c2分别为隔层系统的刚度和阻尼；ml、k1、c1分别为基础质量、地基土的等效刚度和等效阻尼系数。

根据这个模型提出以下假设：(1)采用叠层橡胶隔层支座，隔震系统的本构关系取等价双线型恢复力模型，图3所示为隔层系统的恢复力特征；(2)实际隔震系统与等效刚度系统周期相同；(3)实际隔震系统与等效刚度系统阻尼自由振动的位移包络线相同。

隔震系统本构关系的确定是计算基础隔震结构动力响应的关键。

在本研究中取等价双线性模型。

等价双线性模型中的k1、k2两个刚度，为隔震系统的等效刚度。

隔震系统的刚度和阻尼比分别k和 ，则通过二者可得到隔震系统的等效刚度k1、k2。

(2). 滑移隔震技术
摩擦滑移隔震技术，其基本原理是：把建筑物上部结构做成一个整体，在上部结构和建筑物基础之间设置一个滑移面，允许建筑物在发生地震时相对于基础作整体水平滑动。

由于摩擦滑移作用，削弱了地震作用向上部结构的传递，同时，建筑物在滑动过程中，通过摩擦耗散了地震能量，从而达到减震的效果。

滑移隔震技术与抗震相比，具有不可比拟的优点[9]：
①.解决了地震的超烈度问题。

地震烈度是人们根据地质因素人为制定的，由于地震动的随机性，
加之记录地震的时间与地球寿命相比很短，很难在地震发生时将地震烈度定准，而抗震、减震有很多人为对自然的依赖性，很难解决超烈度问题。

采用了滑移隔震技术后，由于地震超烈度变化对建筑物的影响很小，如按烈度十度计算与按烈度九度计算变化很小，这就非常可靠地解决了地震超烈度问题。

②.避开由于建筑物自振周期和地震周期接近而产生的共振采用滑隔震技术后，由于滑移隔震层
的作用，不论地震波的频带与建筑物自振频率如何接近，均不产生共振，从这个角度讲滑移隔震的防震效果可高达90％以上。

在众多防震技术中，只有滑移隔震技术唯一具有不产生共振的优点。

③.地震中建筑物的加速度放大问题。

现有的抗震方法中，由于房屋与基础牢固地联接在一起，地
震作用下，建筑物是一个加速度的“放大器”，形成所谓的倒三角形分布，对于建筑物十分不利。

采用滑移隔震技术后，在地震作用下，建筑物的加速度不仅不放大而且还有所变小，变形相应减小。

这对处理建筑物受冲撞最厉害的底层部位和薄弱层部位十分有利。

④层间剪力过大的问题。

现有的抗震方法，建筑物受到很大的层间剪力，特别是砌体结构，层间
剪力常常是造成破坏的重要原因。

采用滑移隔震技术后，层间剪力仅为现有抗震方法的20％～30％，极大地提高了建筑物的防震能力。

⑤楼层最大剪力问题在地震作用下，采用抗震方法时，建筑物是否能满足最大剪力的要求是
验证建筑物能否抗震的重要指标。

采用滑移隔震技术后，楼层最大剪力仅为采用现有抗震方法下的楼层最大剪力的20％～40％左右，因此可以极大地减少抗水平侧向力的强度，增加建筑物的层数，由此产生的经济效益是十分可观的。

另外，采用滑移隔震技术后，在地震作用下建筑物基本处于弹性状态，因此余震对建筑物的威胁比较小，不论什么时间、地点发生地震，建筑物与人员的损失均可减少。

图4 滑移隔震结构隔震层动力模型图5 滑移隔震结构剪切型多自由度串联体系动力模型对摩擦隔震系统通常作如下假定： 1)滑移面的摩擦力在结构的整个运动过程中保持为常量；2)结构的材料为线弹性材料；3)仅考虑水平地震作用。

在以上假定下，系统可作为一具有滑动支撑的n层剪切结构。

在地震作用下，它存在两种运动状态，一种是不滑动态，此时系统的基底剪力比摩擦力小，基础将与地基共同运动,系统可作为基础固定的n个自由度系统；另一种状态是滑动态，一旦基础剪力超过基底摩擦力，基础就开始滑动，系统增加一个自由度，成为在基底承受摩擦力的n十1个自由度系统。

在地震作用下，以上两种运动状态交替出现.如上图5所示。

文献[10]中作者给出滑移隔震结构隔震层动力方程，分析了含滑移隔震层的剪切型多自由度串联体系模型，并给出模型的状态方程，并利用Matlab提供的动态系统仿真工具Simulink建立了基础滑移隔震串联多自由度体系模型，提出了基于Simulink的结构滑移隔震计算分析方法，并将程序进一步应用到经平移后采用滑移隔震技术进行减震加固的江南大酒店工程中，验证了该方法的可行性和可靠性。

(3).基础隔震的设防水准
“叠层橡胶隔震支座隔震技术规程”(报批稿)第1.0.3条规定“按本规程设计与施工的隔震结构，当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震时不损坏，且不影响使用功能；当遭受本地区设防烈度的地震时，仅产生非结构性损坏或轻微的结构损坏，一般不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震时。

不致发生危及生命的破坏和丧失使用功能。

”
隔震结构在遭遇第一水准烈度(多遇地震)时，建筑结构及内部仪器设备处于完全正常的使用状态，结构可视为弹性体系；遭遇第二水准烈度(设防烈度的地震)时，建筑结构及内部仪器设备仍处于正常的使用状态，结构基本上可视为弹性体系；遭遇第三水准烈度(罕遇地震)时。

上部结构可能出现有限的非弹性变形，但不危及生命安全和不丧失使用功能，内部设备仪器也不致出现丧失其使用功能的破坏；下部结构不产生危及上部结构的破坏，使整个隔震体系仍能保持正常工作。

上述三个水准的设防目标是通过以下设计实现的：
第一阶段设计是强度验算，取第一水准(多遇地震)的地震动参数。

计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应。

对隔震结构构件进行截面承载力验算。

该阶段隔震层的刚度选取实际需要叠代进行。

由于隔震层的刚度取值与隔震层产生的位移相关，实际计算时先假定小震下位移的刚度，由此计算小震下的位移，若与假定位移相差较大。

则核计算出的位移取定隔震层的刚度进行重新计算，直到满足为止。

为了便于设计人员按照《建筑抗震设计规范》进行抗震设计。

可以通过隔震结构与非隔震结构的层间剪力对比确定的“水平向减震系数”，从而进一步确定水平向计算烈度，进行结构截面抗震验算和采取构造措施。

在确定水平向减震系数时，隔震结构层间剪力值比保守地提高了I／0.7倍，并且剪力对比是在多遇地震下进行的。

多遇地震下的隔震层水平位移较小，水平刚度较大，隔震层的隔震和消能效果并未充分发挥；当隔震结构遭遇设防烈度地震作用及罕遇地震作用时。

隔震层水平位移较大，水平刚度较小，隔震层的隔震和消能效果将得到充分发挥。

因此，按多遇地震下剪力对比确定的“水平向减震系数”进行抗震设计的隔
震结构，其设防水准将高于按设防烈度进行抗震设计的非隔震结构。

要注意的是，一般隔震结构并未考虑
竖向地震作用，所以，隔震结构的竖向地震作用计算、抗震验算和相应的构造措施仍需满足设防烈度的要求。

第二阶段设计是变形验算。

取第三水准(罕遇地震)的地震动参数验算隔震结构的水平变形。

对上部结构，只容许出现有限的非弹性变形，其层间弹塑性位移角限值只相当于《建筑抗震设计规范》对层间弹塑性位移角规定限值的1／3～1／6；而对下部结构，则要求满足层间弹性位移角限值的要求。

即下部结构在罕遇地震下仍处于弹性工作阶段。

这样，隔震结构的设防水准明显高于相应的非隔震结构。

对于隔震房屋的设计，为了与建筑抗震设计规范相协调，便于广大设计人员容易掌握，我国的隔震规范采用了“水平向减震系数“的计算概念。

计算隔震结构水平地震作用时采用的低于设防烈度的烈度指标，按多遇地震作用下隔震房屋与非隔震房屋层间剪力对比确定。

“叠层橡胶隔震支座隔震技术规程”(报批稿)第4.1.7条规定：计算隔震结构水平地震作用时，水平向减震系数可按下列原则确定：在一般情况下，水平向减震系数应通过隔震房屋和非隔震房屋在多遇地震作用下各层最大层间剪力的比值确定。

当隔震结构各层最大层间剪力与非隔震结构对应层最大层间剪力的比值中的最大值不大于表1中数值时，可按表1确定相应水平向减震系数；水平向减震系数的取值不应低于0.25。

[4]
3.层间隔震技术
层间隔震是结构隔震与抗震相结合的一种方法，它是在原结构上安装由质量和隔震支座组成的耗能减震装置，地震时，耗能减震机构吸收并消耗地震能量，从而减小原结构的地震反应。

上部隔震部分结构对下部抗震部分也具有TLD作用。

它的减震效果一般在10％～40％之间，显然它的减震效果不及基础隔震结构，但它可利用结构的加层或原结构的隔热层，做适当的改建，从而达到减震目的。

所以这是一种简单、容易实现的方法，在增加少量投资的同时，大大提高结构的抗震能力，适用于旧房加层和抗震加固结构。

层间隔震常用的支座是橡胶支座，可提高弹性回复力。

橡胶支座高度不宜太大。

在上海，已有几栋邮电通讯机房采用这一方法进行了加固，另有十几栋住宅在应用这一技术加层，几栋高层建筑也在采用层间隔震方法控制结构的第二据型反应来达到减震的目的。

4.一种新型隔震结构体系——基础隔震板片结构体系
基础隔震板片结构体系是一种新型隔震结构体系，是基础隔震装置和板片结构体系的有机结合，如图6 所示。

它采用基础隔震装置使整个建筑物的自振周期显著增大，使得建筑物在地震作用下的水平振动大大减小，从而增加建筑物的抗震能力。

由于传递到上部结构的地震荷载显著减小,上部结构中可以不使用
梁，而仅采用剪力墙、柱和大平板等构件来承载[15]。

图6 基础隔震板片结构体系示意图
基础隔震板片结构体系具有许多传统结构体系所无以比拟的优点，特别适用于中高层住宅建筑。

(1)抗震性能好。

首先，由于基础隔震板片结构体系采用大板片楼盖代替了传统的梁板结构，整个结构的重量大大减轻，对结构抗震十分有利。

其次，采用基础隔震装置吸收地震能量，隔离地震对上部结构的影响，可以使上部结构在强烈地震时只产生很小的振动。

(2)施工方便快捷。

采用基础隔震板片结构体系，下部结构可以在现场安装，上部结构构件可以工业化生产，运到现场后拼装成整体，可以极大缩短工期，而且容易控制质量。

(3)经济效果明显。

在上部结构中不使用梁，这样建筑物的空间也会大大增加；结构的抗震性能好，将会降低地震作用下建筑物的破坏程度，从而整个结构的维护费用也将极大地减少，带来良好的经济效益。

(4)使用功能良好。

房间平面不受梁柱的限制，可以根据实际使用功能要求进行灵活布置。

由于天花板不受横梁阻隔，房间内部视觉效果良好。