尹利茹

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司 重慶市 400016）

建筑物隔震減震的發(fā)展與應(yīng)用

尹利茹

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司 重慶市 400016）

層間隔震結(jié)構(gòu)是隔震減震技術(shù)的新發(fā)展，它將隔震層設(shè)置在建筑物某層柱子和樓板之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)控制。本文將基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，就層間隔震結(jié)構(gòu)的減震機(jī)理、適用范圍、優(yōu)點(diǎn)以及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述。最后指出層間隔震結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步研究的問題?，F(xiàn)有的研究成果和工程應(yīng)用情況表明，層間隔震結(jié)構(gòu)具有明確的減震效果，施工方便，是一種具有發(fā)展前途的減震體系。

層間隔震；基礎(chǔ)隔震；隔震層；橡膠支座

1 引言

強(qiáng)烈地震給世界各國(guó)人民帶來了巨大的災(zāi)害。地震中建筑物的大量破壞和倒塌，是導(dǎo)致地震災(zāi)害的最為直接的一個(gè)原因。傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的性能來抵御地震作用，也就是由結(jié)構(gòu)本身儲(chǔ)存與消耗能量，來滿足結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防的要求。因?yàn)槿藗兡壳盁o法準(zhǔn)確地估計(jì)結(jié)構(gòu)未來將會(huì)遭遇的地震動(dòng)的強(qiáng)度與特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的抗震性能沒有自我調(diào)節(jié)和自我控制的能力，所以在此種不確定性地震的影響之下，結(jié)構(gòu)無法達(dá)到安全性的要求，隔震、耗能減震以及其它結(jié)構(gòu)控制技術(shù)卻可以為結(jié)構(gòu)控制提供嶄新的有效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、可靠的抗震方法。它主要是在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行控制機(jī)構(gòu)的設(shè)置，利用控制機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)一起進(jìn)行控制、抵御地震等動(dòng)力荷載，進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。結(jié)構(gòu)控制作為人的主觀能動(dòng)性和自然的高度結(jié)合，是結(jié)構(gòu)對(duì)策進(jìn)程中的里程碑性事件，它已經(jīng)并將繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)生重要影響。

2 基礎(chǔ)隔震

本文結(jié)合隔震裝置所處的實(shí)際位置，將隔震結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為基礎(chǔ)隔震與層間隔震這兩個(gè)種類?；A(chǔ)隔震是目前應(yīng)用十分廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，它主要是在建筑物的基底進(jìn)行控制機(jī)構(gòu)（隔震裝置）的設(shè)置使得地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸隔離開來，使得上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)得以減輕，避免發(fā)生地震破壞。隔震裝置除了能夠設(shè)置在建筑物的基底，還可以根據(jù)具體需要設(shè)置在建筑物層和層之間，也就是形成層間隔震體系。

2.1 基礎(chǔ)隔震的原理

基礎(chǔ)隔震體系，主要由上部結(jié)構(gòu)、隔震層結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)三部分組成，上部結(jié)構(gòu)的層間剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隔震裝置的水平剛度，在地震作用下，上部結(jié)構(gòu)的層間位移很少，結(jié)構(gòu)體系的水平位移主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下近似為水平整體平動(dòng)[圖1（a）]。如果忽略上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用，則結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力分析模型[圖1（b）]，即：隔震層的剛度和阻尼近似代表結(jié)構(gòu)體系的剛度和阻尼。彈簧越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的周期越短，頻率越大；彈簧越弱，結(jié)構(gòu)的周期越長(zhǎng)，頻率越小。如果阻止振動(dòng)的力比較小，那么振動(dòng)就會(huì)一直延續(xù)，反之，則會(huì)立刻停止。此種阻止振動(dòng)的力被稱之為阻尼力。無阻尼力的時(shí)候，如果發(fā)生振動(dòng)，將會(huì)一直產(chǎn)生振動(dòng)，這對(duì)建筑物會(huì)造成十分嚴(yán)重的影響。所以，阻尼力的大小是十分重要的[1]。

圖1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析簡(jiǎn)化模型

建筑物的振動(dòng)特性受到自振周期以及阻尼性能這兩個(gè)因素的影響，然而自振周期還受到質(zhì)量以及剛度分布的影響。對(duì)于一般建筑物其質(zhì)量和剛度是基本確定的，也就是說它的自振周期是一定值，當(dāng)受到所觀測(cè)到的地震波形的作用，建筑物將不停地振動(dòng)變形，其所受到的最大水平力是我們所關(guān)注的。

2.2 基礎(chǔ)隔震的特點(diǎn)

我國(guó)抗震設(shè)計(jì)的基本原則是“大震不倒，中震可修，小震不壞”，對(duì)發(fā)生頻率較高的中小地震作用，建筑物基本不發(fā)生損壞；在罕遇大震作用時(shí)，容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服或建筑物部分損壞，但不允許結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌。按抗震設(shè)計(jì)的建筑物，不能避免地震時(shí)的強(qiáng)烈晃動(dòng)，當(dāng)遭遇到大地震時(shí)雖然可以保證人身安全，但不能完全保證財(cái)產(chǎn)（建筑物及其內(nèi)部物品）的安全?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)適用于醫(yī)院、廣播、學(xué)校等重要建筑物，也適用于博物館、計(jì)算機(jī)中心等內(nèi)部財(cái)產(chǎn)價(jià)值很高的建筑物，以及歷史、文化價(jià)值很高的建筑物，對(duì)其他用途的建筑物也同樣可以發(fā)揮很好的效果。

與目前的建筑結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）提高地震作用下結(jié)構(gòu)的安全度；

（2）設(shè)計(jì)自由度及想象空間增大；

（3）防止內(nèi)部物品的振動(dòng)、移動(dòng)、翻倒；

（4）抑制了振動(dòng)時(shí)的不適感（提高了安全感和可居性）；

（5）可以保護(hù)機(jī)械、器具的功能。

3 層間隔震減震

3.1 層間隔震減震的適用范圍

我國(guó)和世界上多個(gè)國(guó)家對(duì)隔震技術(shù)的使用只限于基礎(chǔ)隔震，上部結(jié)構(gòu)體型規(guī)則，隔震層設(shè)置基礎(chǔ)頂面、地下室底部。由于缺少技術(shù)支持，對(duì)于許多不規(guī)則且復(fù)雜的建筑物不便在底部設(shè)置隔震層。對(duì)于以下幾種較為常見的建筑結(jié)構(gòu)，將隔震層位置上移即形成層間隔震，問題將迎刃而解[3]。

3.1.1 豎向不規(guī)則建筑

在復(fù)雜高層建筑中，常設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，如果可以在轉(zhuǎn)換層和上部結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行隔震層的設(shè)置，不僅可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性調(diào)整，使得轉(zhuǎn)換層上下剛度突變所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的突變得以改善，控制轉(zhuǎn)換層的突變位移僅發(fā)生在隔震層；還可以通過調(diào)整隔震支座的剛度分布以減小轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的偏心影響，減小整體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。地理位置特殊的建筑。

對(duì)于安歇地理位置相對(duì)而言比較特殊的建筑，因?yàn)榻ㄖ?、地形以及使用要求等原因，隔震層不得出現(xiàn)在基礎(chǔ)頂面、地下室底部或者是頂部。如依山而建的建筑，基礎(chǔ)傾斜或基礎(chǔ)標(biāo)高變化較多的建筑，不適宜在基礎(chǔ)設(shè)置隔震層；位于海邊或者是江邊的建筑，考慮地下水位比較高或者是海水侵入對(duì)隔震支座的影響，也需要考慮提高隔震層位置。

3.1.2 已有建筑的加固改造

為了提高土地利用率，減少工程的造價(jià)，使得舊房的使用功能以及條件得以改善，常常在己有建筑上進(jìn)行加層改造。使得已有建筑的使用壽命可以得以延長(zhǎng)。然而增加層數(shù)之后因?yàn)榕f結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到抗震的要求，必須進(jìn)行抗震加固處理。如果根據(jù)傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行加固，即加大截面、增加配筋，其結(jié)果造成截面越大剛度越大，地震作用力也越大，不僅難以保證既有結(jié)構(gòu)加層后的抗震安全，也將大大增加工程費(fèi)用。如果對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行加層或加固改造時(shí)采用層間隔震技術(shù)，在新增加層和舊有建筑之間設(shè)置隔震層，則可同時(shí)減小上部新加結(jié)構(gòu)和下部已有建筑的地震作用，不但節(jié)省投資，而且便于施工，建筑物的原有功能不受干擾，其優(yōu)越性是基礎(chǔ)隔震無法取代的。

3.2 層間隔震減震的特點(diǎn)

層間隔震減震技術(shù)是在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐中發(fā)展起來的一種新型隔震結(jié)構(gòu)形式。是基礎(chǔ)隔震的拓展。

層間隔震減震也可以看成是基礎(chǔ)隔震層向結(jié)構(gòu)上部轉(zhuǎn)移的結(jié)果。層間隔震減震體系可根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)豎向剛度有突變[圖2（a）]的部位、結(jié)構(gòu)形式有變化的部位[圖2（b）]設(shè)置隔震層，隔震層的位置可以設(shè)置在結(jié)構(gòu)的一層頂[圖2（c）]、中間層[圖2（d）]、和頂層等[圖2（e）]，隔震層裝置主要采用疊層橡膠隔震支座。

圖2 隔震層在不同位置的層間隔震

對(duì)于隔震層上部結(jié)構(gòu)，類似于基礎(chǔ)隔震，在地震作用下主要為水平方向平動(dòng)，當(dāng)下部結(jié)構(gòu)的剛度無窮大，且其地震反應(yīng)不要求控制時(shí)，層間隔震減震體系轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)隔震體系。對(duì)于下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的作用相當(dāng)于調(diào)諧質(zhì)量塊，上部結(jié)構(gòu)的存在，對(duì)下部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)起控制作用。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為單自由度體系且其地震反應(yīng)不要求控制時(shí)，層間隔震減震體系轉(zhuǎn)化為TMD結(jié)構(gòu)體系。

對(duì)于層間隔震減震結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求控制的目標(biāo)，不僅要減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，同時(shí)要求減小下部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

3.3 層間隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程

3.3.1 基本假定及動(dòng)力分析模型的選取

某些隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)是較為高柔的多層結(jié)構(gòu)，其層間剛度相對(duì)較小（如多層框架結(jié)構(gòu)和層數(shù)較多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）。在地震中，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)宜按多質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行分析。這種模型的自由度數(shù)等于結(jié)構(gòu)的總層數(shù)，自由度較少，計(jì)算工作量小，而且層彈性剛度與層彈塑性恢復(fù)力相對(duì)而言很好確定。層間剪切模型的基本假定有[3]：

（1）樓蓋在其自身平面內(nèi)剛度為無窮大；

（2）結(jié)構(gòu)當(dāng)中的豎向桿件在水平荷載的作用下沒有出現(xiàn)軸向變形；

（3）不考慮上、下樓層之間力與變形所導(dǎo)致的影響，模型的層間剛度影響著本樓層當(dāng)中每一個(gè)豎向構(gòu)件的剛度；

（4）在振動(dòng)的過程當(dāng)中上、下結(jié)構(gòu)都處于彈性階段。

采用這種層模型進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算，可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)每一個(gè)階段的變形與層剪力所處的具體狀態(tài)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 層間隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.3.2動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程

由于層間隔震結(jié)構(gòu)的隔震層位于中間某層，另外隔震層的剛度、阻尼以及上下結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼存在著非常大的區(qū)別，這就導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)上下兩部分的受力情況存在著非常明顯的區(qū)別，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震體系的上部結(jié)構(gòu)相似，而對(duì)于下部結(jié)構(gòu)來說除了受到地震作用外還受到了上部結(jié)構(gòu)和隔震層慣性力等各種作用，因此分別對(duì)其運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行建立。

上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：[Ms][Mu]為上下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，其中：

式中：mi為樓層質(zhì)量；[Ks][Ku]為上、下部結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，klcl分別為隔震層附加的剛度和阻尼系數(shù)，若隔震層除設(shè)置鉛芯橡膠支座外無其他附加阻尼器和附加彈簧，則kl和cl均為0。

將以上三式寫成綜合形式得結(jié)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)方程：

3.4 層間隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔震的比較

（1）與普通是樓層相比，隔震層的水平剛度比較小，地震的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生極大的變形。對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，隔震層一般都是位于室外地面以下，《規(guī)范》當(dāng)中提出了十分明確的規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)的周邊一定要嚴(yán)格的根據(jù)相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行防震縫的設(shè)置，縫寬必須要大于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍。需要進(jìn)行明確的水平隔離縫的設(shè)置；而對(duì)于層間隔震，因?yàn)楦粽饘釉O(shè)置在一層或者是一層以上的柱頂，結(jié)構(gòu)的大變形處于沒有障礙的空中，也就不存在預(yù)留空間和相應(yīng)的構(gòu)造問題。

（2）對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)而言，在隔震層頂部位置需要設(shè)置一層厚度大于140mm的梁板式樓蓋，而且需要保證樓蓋的梁板剛度與承載力均都大于普通樓面梁板的剛度以及承載力。如此一來，結(jié)構(gòu)的自重會(huì)得到很大程度的增加。但是層間隔震就不需要進(jìn)行這種樓蓋的增設(shè)，只需要把結(jié)構(gòu)原本的樓蓋根據(jù)隔震的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了。

4 建筑物隔震減震的發(fā)展

層間隔震結(jié)構(gòu)雖然有了許多工程實(shí)踐，但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法還沒有形成。因此，還需要就層間隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和工作機(jī)理進(jìn)一步的研究，完善層間隔震結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的內(nèi)力分布，這樣才能安全、客觀地進(jìn)行層間隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。層間隔震結(jié)構(gòu)有明確的工程需求，其研究工作幾乎與實(shí)際同步。所以，盡管有一些工程應(yīng)用，然而卻沒有比較系統(tǒng)的研究成果。但是與之相關(guān)的基礎(chǔ)隔震以及屋蓋隔震研究成果卻相當(dāng)豐富。在此基礎(chǔ)上，開展層間隔震技術(shù)的研究定會(huì)在很大程度上促進(jìn)隔震技術(shù)在工程當(dāng)中的廣泛應(yīng)用。

[1]徐立成，鐘心，劉曉群，等.建筑結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].遼寧建材，2008（4）：40～41.

[2]吳世躍.我國(guó)建筑物減震隔震研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].山西焦煤科技，2010，34 （3）：45～48.

[3]李斌.建筑隔震技術(shù)的發(fā)展及其在住宅建設(shè)中的應(yīng)用[D].天津大學(xué)，2009.

TU352.1+2

：A

：1673-0038（2015）05-0030-03

2014-12-10

尹利茹（1985-），女，助理工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。