劉玉娟 楊 清 曹 寧（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)），山東 青島 266590）

結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)

劉玉娟 楊 清 曹 寧
（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)），山東 青島 266590）

傳統(tǒng)抗震已經(jīng)不滿足現(xiàn)代建筑的要求，因此采用隔震設(shè)計(jì)在建筑物和構(gòu)筑物的基底或某個(gè)位置設(shè)置控制機(jī)構(gòu)來隔離或耗散地震能量，以避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)減輕，實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生較輕微的運(yùn)動(dòng)和變形，從而保障建筑物的安全。

隔震設(shè)計(jì)；基礎(chǔ)隔震；中間層隔震；隔震支座

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)主要是經(jīng)過簡化后的模型動(dòng)力學(xué)分析和建筑抗震經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即一次次的震害分析進(jìn)行修正、補(bǔ)充，得到一些建筑物在地震作用下的反應(yīng)機(jī)理及破壞形式，提出了一些建筑物抗震的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)的基本原則。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置多道抗震設(shè)防線、選用耗能構(gòu)件和對結(jié)構(gòu)的剛度、承載力、延性的合理匹配來提高結(jié)構(gòu)抗震性能，這些在實(shí)際應(yīng)用中得到了很不錯(cuò)的效果。但是，針對某些重要的建筑物安全性較高的要求和對一些建筑物的修復(fù)加固改造的問題，在建筑設(shè)計(jì)和施工中逐漸地采用隔震和消能減震技術(shù)。隔震即是隔離地震，隨著科技發(fā)展，這種技術(shù)越來越來受到人們的重視。

1 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 隔震設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)方案：應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和建筑使用要求，與建筑抗震的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性的對比后，確定其設(shè)計(jì)方案。

設(shè)防目標(biāo)：隔震建筑，其抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于抗震建筑。在水平地震方面，隔震結(jié)構(gòu)具有比抗震結(jié)構(gòu)至少高0.5個(gè)設(shè)防烈度的抗震安全儲(chǔ)備。豎向抗震措施不應(yīng)降低。

隔震部件：設(shè)計(jì)文件上應(yīng)注明對隔震部件的性能要求；隔震部件的設(shè)計(jì)參數(shù)和耐久性應(yīng)由試驗(yàn)確定；安裝前對工程中所有各種類型和規(guī)格的部件原型進(jìn)行抽樣檢測，每種類型和每一規(guī)格的數(shù)量不應(yīng)少于3個(gè)，抽樣檢測的合格率應(yīng)為100；設(shè)置隔震部件的部位，除按計(jì)算確定外，應(yīng)采取便于檢查和替換的措施。

1.2 設(shè)計(jì)原則

在隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過對結(jié)構(gòu)的整體特性、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)剛度的分布等情況進(jìn)行合理設(shè)置，控制結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的反應(yīng)性能，達(dá)到減小地震反應(yīng)的目的。控制隔震支座的布置及結(jié)構(gòu)的剛度，使其分布均勻。盡量使結(jié)構(gòu)剛度中心與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心的偏移小一些， 基礎(chǔ)隔震技術(shù)對低層多層建筑最為適合，隔震建筑的房屋高度和層數(shù)應(yīng)符合有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范中的相應(yīng)規(guī)定。隔震建筑一般更適合于I、II、III類建筑場地，并且選用剛性較好的基礎(chǔ)類型，以保證隔震層的穩(wěn)定性和在地震中運(yùn)動(dòng)的一致性。應(yīng)對非地震作用的水平荷載（如風(fēng)荷載）加以限制。應(yīng)對隔震結(jié)構(gòu)的高寬比加以控制。隔震結(jié)構(gòu)的高寬比應(yīng)滿足規(guī)范的要求。當(dāng)高寬比不滿足要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下的抗傾覆驗(yàn)算。

合理設(shè)置隔震結(jié)構(gòu)的基本周期原則?；A(chǔ)隔震層一般應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)第一層以下的部位，隔震層在罕遇地震下應(yīng)保持穩(wěn)定，且不出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。控制隔震結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，保證隔震層在地震時(shí)有效發(fā)揮作用。穿過隔震層的設(shè)備配管和電器、通信系統(tǒng)的配線，應(yīng)采用撓曲柔性連接等適應(yīng)隔震層罕遇地震水平位移的措施；采用鋼筋或鋼架接地的避雷設(shè)備，應(yīng)設(shè)置跨越隔震層的接地配線。建筑隔震橡膠支座和隔震層的其他部件尚應(yīng)根據(jù)隔震層所在位置的耐火等級采取相應(yīng)的防火措施。對于體型復(fù)雜或有特殊要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)。

2 隔震類型

2.1 基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震，就是在建筑物的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)高度很矮，具有足夠可靠性的隔震層，控制地面運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)傳遞，地震時(shí)其能量可反饋到地面或由隔震層吸收,以大大減小結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震反應(yīng)，確保建筑物的整體安全,其內(nèi)部設(shè)備不發(fā)生破壞或喪失使用功能,室內(nèi)人員不遭受傷害也不會(huì)有強(qiáng)烈震感。同時(shí),還可防止結(jié)構(gòu)內(nèi)部的次生災(zāi)害?；A(chǔ)隔震以其極少的投資換取很大的安全系數(shù)?；A(chǔ)滑動(dòng)隔震效果受地面運(yùn)動(dòng)頻率特性的影響較小，幾乎不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

在其中使用的橡膠隔震墊有良好的隔震性能，如果上部結(jié)構(gòu)仍然按傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)，其總工程費(fèi)用略有增加。隔震結(jié)構(gòu)與一般結(jié)構(gòu)相比，費(fèi)用增加的部分包括:隔震構(gòu)件、隔震層上面的樓面、設(shè)備管道的柔性接頭及相應(yīng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用和施工費(fèi)用。為達(dá)到明顯減震效果，通?；A(chǔ)隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：承載特性，隔震特性，復(fù)位特性和耗能特性?；A(chǔ)隔震的機(jī)理明確，減震效果明顯，適用于不同烈度和不同抗震要求的建筑物，主要有以下優(yōu)越性：明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；簡化了抗震設(shè)計(jì)和建筑隔震建筑物維修方便。我國己將基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)納入《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（5001一2001）。

2.2 層間隔震

層間隔震是將隔震層設(shè)置在建筑物某層柱子和樓板之間以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)控制。層間隔震可根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn),設(shè)置在結(jié)構(gòu)豎向剛度有突變的部位、結(jié)構(gòu)形式有變化的部位,或結(jié)構(gòu)的一層頂、中間層、和頂層等。在隔震層下部結(jié)構(gòu)同普通建筑物一樣直接與地基接觸,因此它不存在基礎(chǔ)隔震建筑的底部體積和墻體數(shù)量問題,但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。

隔震裝置布置和選取的一般原則為:隔震層具有適當(dāng)?shù)乃絼偠?，在?qiáng)風(fēng)作用下,隔震層具有足夠的初始剛度，在較大地震作用時(shí)，產(chǎn)生柔性變形,能大大減小水平地震作用；隔震層的水平剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心基本一致； 隔震裝置具有足夠的豎向承載力和水平變形能力，在發(fā)生大震時(shí),可安全穩(wěn)定地支撐建筑物,不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞； 隔震裝置具有良好的自動(dòng)復(fù)位功能,當(dāng)發(fā)生余震時(shí)，可繼續(xù)有效發(fā)揮隔震作用；隔震裝置具有較大的豎向剛度，在設(shè)計(jì)豎向荷載作用下，豎向位移被控制在允許值以下；隔震裝置的剛度和阻尼具有較好的穩(wěn)定性,在可能出現(xiàn)的荷載和溫度范圍以內(nèi),其變化較小。

2.3 隔震支座

隔震橡膠支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座等 。天然夾層橡膠支座具有較大的豎向剛度，承受建筑物的重量時(shí)豎向變形小，而水平剛度較小，且線性性能好。由于天然夾層橡膠支座的阻尼很小，不具備足夠的耗能能力，所以在結(jié)構(gòu)使用中一般同其它阻尼器或耗能設(shè)備聯(lián)合使用。

鉛芯隔震橡膠支座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制開發(fā)，以后在中國、日本、美國、意大利等國家都得到了較大的發(fā)展與應(yīng)用。因?yàn)殂U芯橡膠支座不但具有較理想的豎向剛度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故鉛芯橡膠支座在結(jié)構(gòu)使用中受到廣泛歡迎。

3 隔震與抗震的比較

隔震系統(tǒng)增大了結(jié)構(gòu)柔度因而使結(jié)構(gòu)自振周期增大。減小了結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)。阻尼的增大會(huì)遏制位移的過度增大。采用滯變（或粘滯）隔震器隔震的許多概念與傳統(tǒng)的控制破壞方法（承載力設(shè)計(jì)）概念類似。在隔震法和承載力設(shè)計(jì)方法中，都設(shè)計(jì)了專門選擇的延性部件來承受屈服后若干次反復(fù)循環(huán)荷載的作用，屈服水平選擇成使傳遞到結(jié)構(gòu)其他部件的力局限于彈性或低延性范圍?？拐鹪O(shè)計(jì)的傳遞路徑不是很明確的，而隔震結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)是明確的 。

圖2 地震動(dòng)傳遞系數(shù)與頻率比

隔震是新的抗震方法，它旨在依靠限制而非抵抗地震作用來保護(hù)結(jié)構(gòu)不受地震破壞。常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)方法是使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、變形能力和消能能力，以抵御地震作用力，而結(jié)構(gòu)的峰值加速度反應(yīng)通常大于地面運(yùn)動(dòng)的峰值加速度。隔震限制了地震作用力，因?yàn)槿嵝曰A(chǔ)使結(jié)構(gòu)與水平地面運(yùn)動(dòng)在很大程度上解除了耦聯(lián)關(guān)系，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度一般要比地面加速度小。阻尼裝置消耗了輸入地震動(dòng)的能量，使傳遞到隔震結(jié)構(gòu)上的作用力進(jìn)一步減小。

[1] 日本建筑學(xué)會(huì)編.《隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》.劉文光譯.北京：地震出版社，2006.

[2]倪國葳，趙亞敏，蘇幼坡．框架隔震建筑設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[J]．世界地震工程，2005，21(4)：113-118．

[3]田其豐．框架結(jié)構(gòu)橡膠墊基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)研究[D]．西北工業(yè)大學(xué)，2004．

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1007-6344（2016）04-0089-01