文／柯濤 九江工業(yè)建筑設計院 江西九江 332000

引言：

隔震技術是二十世紀七十年代早期出現(xiàn)的，它的主要作用是在結構的振動控制方面，它將隔震技術與傳統(tǒng)的隔震技術相結合，使傳統(tǒng)的防震方式發(fā)生了變化，從傳統(tǒng)的“抗”向現(xiàn)在的“導”，其核心思想就是減震。經(jīng)過多年的刻苦鉆研和應用，隔震技術逐漸成熟，在當代建設中取得了明顯的成效。目前，我國在隔震技術方面的研究已經(jīng)取得了長足的進展，在國際上也處于領先地位，但在實際應用方面，還需要進一步提高。

1、隔震技術和減震結構的應用原理

1.1 隔震技術

隔震技術的應用，一般是在建筑物的基礎和底部中安設隔震器和隔震層，利用隔震層降低地震向上傳遞的方式，減少了對高層建筑的能量傳遞，從而減少高層建筑的震害，從而實現(xiàn)對建筑物的抗震保護。

在我國現(xiàn)行的隔震技術中，它在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛的應用，它可以通過科學的隔震設計實現(xiàn)建筑物結構的隔震效果，將隔震技術用于建筑物的抗震性能，一般采用隔震技術，將建筑物的基礎與上部結構分開，并采用隔離技術將震源從地基底部隔開，防止沖擊波流向生層結構，從而有效延長結構的使用壽命，減少地震對建筑物的傷害。根據(jù)大量的實驗研究，得出了隔震技術在建筑結構中的作用，即在地震作用下，高層建筑的結構發(fā)生了類似于剛體平動的變化，不會產(chǎn)生任何的地震放大效應，而且對建筑物的影響只有1/10，可以保證建筑物在地震作用下不會受到太大的破壞[1]。

1.2 減震結構

總體上，建筑物的運動特性與其自身振動周期、阻尼關系密切，其中自振周期與結構剛度關系較大。因此，減振機構的工作原理，主要是通過減震器和減震器之間的相互影響來實現(xiàn)。當阻尼在0.4～1.4 之間時，由于阻尼值越小，它的功率系數(shù)就越大，反之就越小。因此，當結構的固有頻率接近于干擾頻率時，可以采用增大阻尼的方法來減少結構的變形。當阻尼為1 時，對應的減振比從0.04上升到0.2，功率放大系數(shù)降低47%左右，當阻尼增大到0.3 時，功率放大系數(shù)減小74%。因此，通過前面的論述，不難發(fā)現(xiàn)，對減振機理進行合理的分析，對其進行理論研究和實踐應用都是非常有意義的。

2、隔震技術的應用

到現(xiàn)在為止，全世界已有60 多個國家進行了隔震技術的研究，而且還在持續(xù)增長，其中應用隔震技術的建筑超過5000 座，其中大部分都是經(jīng)過了多次地震的檢驗。美國洛杉磯和日本的阪神地震都能證明隔震房屋的抗震性能和優(yōu)勢，比如1994 年美國南加州的一場大地震，大部分沒有使用隔震技術的房屋都會倒塌，造成嚴重的損壞，而南加州的醫(yī)院則是使用了鉛芯疊層橡膠隔震結構。通過實例，進一步強化了隔震技術在人們心中的重要性，同時也激勵著許多地震工作者對隔震技術進行了深入的研究。

2.1 隔震設計的規(guī)范方法

在應用隔震技術時，應確保隔震設計的規(guī)范化，其主要內容是采用分段法進行隔震設計，合理地引入阻尼系數(shù)，也就是將不隔震結構的樓面剪力與隔震結構的層間剪力進行逐層比較，將最大比例設定為阻尼系數(shù)。同時，對于高層建筑，需要進行樓體傾覆力矩的比較，以求得二者的最大值。除此之外，為了有效地確保隔震設計的安全性，必須充分考慮計算精度，充分了解非隔震結構的抗震作用，采用“地震作用×減震系數(shù)”法，再按隔震支座的特性進行適當?shù)姆糯?，從而使隔震設計更加合理和安全。通過分析非隔震結構與隔震結構在地震作用下的受力情況，發(fā)現(xiàn)隔震結構在地震作用下的受力呈曲線形或倒三角形，而隔震結構受到的地震作用呈梯形或均勻分布，因而隔震結構的彎矩、剪應力都比非隔震結構小。在隔震設計時，采用分段計算法，可以合理、科學地運用已有的軟件進行設計，從而更好地保證隔震設計的效果[2]。

2.2 隔震結構的應用范圍及條件

隔震技術通常適用于多種形式、多種用途的建筑物，但與普通建筑物相比，在高烈度區(qū)的建筑物、硬場地上的建筑物、醫(yī)院、學校、核電站等具有重要作用的建筑物，則應采用隔震技術。在美國、日本等國家的一些重要建筑中，也普遍使用隔震技術。1994 年的一次調查顯示，美國的隔震結構在所有的隔震層中占據(jù)了55%的比例。隔震結構在我國的應用范圍很廣，主要應用于高烈度區(qū)的居民住宅和高層公共建筑。按建筑物的功能分類，采用隔震結構的建筑物見表1。

表1 適用隔震的建筑及原因

在建筑中應用隔震技術時，應滿足什么要求？通常，不管結構是鋼筋混凝土框架-剪力墻、鋼框架、砌體等，均可采用隔震技術。但在抗震和消能方面，采用隔震技術的建筑可以增加抗震性能，延長其運行周期，并在一定程度上消耗了大量的地震能量，使其不能繼續(xù)向上結構轉移。所以，采用隔震技術的建筑應具備下列條件：結構不能太高，最好是多層樓，隔震技術可以讓它的振動頻率更高，隔震效果更好，安全性也更高；在地基和上層結構之間或在地下室的柱頂部設有隔震裝置。同時，隔震結構的動態(tài)性能也比較清晰；在軟弱地區(qū)不宜采用隔震技術，最好在堅硬的地基土壤中安裝隔震設備，使地震力向上傳遞時，地面的振動不會發(fā)生長期的周期性變化，而且與常規(guī)結構相比，隔震結構的樓面加速度也會降低；為了使建筑物在地震作用下會有左右移動的空間距離，在使用隔震技術時，要考慮周圍的建筑物與其至少有20cm 的間隙；除此之外，采用隔震技術的磚混結構，其高寬比應小于2.0，鋼、鋼筋砼結構的高寬比應在2.5 以下，以確保結構的安全性。

目前，世界各地已有不少采用這種超高、超高寬比、中間隔震結構的隔震結構。以日本名古屋為例，一幢七層的大廈，其結構為鋼筋混凝土框架-剪力墻，并在第一、二層之間設置隔震層，隔震后的結構自振周期是2.2s，隔震層的位移是24.6 cm。1998 年，日本許多公司已興建了許多高寬比為3～4 的高層建筑，并使用隔震技術。竹中公司是世界上最大的隔震結構，它有42 層，高138m，隔震系統(tǒng)使用了常規(guī)的橡膠隔震支座，鉛阻尼器，粘滯阻尼器，軟鋼阻尼器。在國內，使用隔震設備的高層建筑中，地面17 樓使用的是常規(guī)的疊層橡膠墊板和鉛芯板式橡膠墊板，其高寬比為3。與此同時，日本也在軟基上建造了許多隔震結構，這說明隔震結構并不是不能用在軟弱的基礎上，隔震技術可以在一些脆弱的基礎上起到很好的緩沖作用，從而保證人們的生命和財產(chǎn)的安全。但是，從總體上看，我們認為，隔震建筑應盡可能地滿足上述條件，從而為以后的結構設計提供方便[3]。

2.3 隔震技術的實際應用

2.3.1 摩擦滑移隔震技術

摩擦滑動隔震技術在建筑物地基上的應用，主要是在建筑物地基上建造滑移層，再利用滑移層將建筑物與地基之間的滑動分離，從而產(chǎn)生滑移力。假如房屋結構受到小地震的影響，地基與上部結構之間的摩擦可以防止滑動的破壞；摩擦滑動隔震技術的核心是滑動裝置，它由一個極限耗能部件和一個滑動部件構成，而常規(guī)的滑動部件則是在鋼板的中部增加一個滑動表面。另外，也可以使用高強度的混凝土。在滑動機構中安裝了一個限制耗能部件，它可以減少地震的能耗，通常使用 U 型鋼板、扭轉梁和變截面的杠桿。但由于摩擦滑動隔震技術在實際使用中會引起上部結構的某些頻率響應，所以摩擦滑動隔震技術的隔震效果比夾層橡膠隔震技術要差一些。此外，沒有向心復位機構的滑動系統(tǒng)不能實現(xiàn)自動復位，使用起來也不方便。

2.3.2 橡膠隔震支座技術

橡膠隔震支架是由薄板與橡膠復合而成，厚度僅為數(shù)毫米。在橫向上，疊層橡膠支承的變形比較大，另外，在垂直方向上也有很大的承載力，等同于同時具備球和彈簧兩種作用。橡膠隔震器的結構見圖1。

圖1 疊層橡膠支座內部結構

疊層橡膠支座具有較低的橫向剛度和較高的縱向承載能力，是一種很好的隔震構件。這是因為，在支架的兩端，有兩塊比較厚的隔板，可以安裝螺釘孔，用內六角螺栓將密封板和連接板連接在一起，然后將鋼板和連接板連接在一起，用內置支架上的螺釘孔將零件和連接板連接在一起。另外，將鉛芯添加到橡膠隔震支座中，可增加橡膠支座的減震性能，增加其自振周期，最大程度地吸收地震能量，僅對上部結構造成較小的變形，從而對內部構件起到保護作用。

夾層橡膠隔震技術是我國廣泛使用的一種新型隔震技術，經(jīng)過多年的實踐和研究，我們對其具體應用有了一定的了解，其應用特征如下：

（1）采用雙層橡膠支座隔震技術，可顯示出較強的垂直承載力，并可用作建筑物的支撐墊，從而進一步增強建筑物的安全性能。目前，我國住宅建筑中使用的夾層橡膠隔震技術，其承載能力一般在6.0 以上，而且每一種夾層襯墊都可以承受數(shù)千噸的荷載，最大承載力可以超過萬t；

（2）采用雙層橡膠支承隔震技術，其隔震性能良好，隔震效果顯著。由于其剛性、阻尼特性比較穩(wěn)定，因此其理論分析與工程實踐結果相近，而且可以根據(jù)設計計算對地震反應進行精確的控制。目前，我國住宅工程中使用的夾層橡膠支承隔震技術，其抗震性能達到過去地震響應的1/12，安全性能非常好；

（3）采用夾層橡膠支承隔震技術，使其具有較好的彈性復位能力，能有效抵抗多種地震災害，并能在地震后迅速恢復，具有重復使用的作用；

（4）采用中間橡膠支承隔震裝置，其結構簡單，便于裝置的安裝。該技術主要包括阻尼器、彈性回復力、橫向滑移等,在實際安裝過程中,向廠家購買了相應的夾層橡膠墊片,即可快速安裝,不需要進行安裝,也無須進行安裝后的調試工作,在實際地震中真的可以起到非常好的功效；

（5）夾層橡膠支承隔震系統(tǒng)具有耐用性強、耐腐蝕、耐高溫、耐高溫、化學性能穩(wěn)定、最長可達70 年以上，和其他技術相比，是目前最理想的隔震技術。

3、隔震支座隔震結構的經(jīng)濟性分析

隔震結構的成本與區(qū)域設防烈度、結構類型、結構高度等因素有關。一般情況下，7℃及以下的區(qū)域使用隔震技術，會使成本稍微提高，并大致保持不變，但會使建筑物更安全；在7 度以上的地段應用隔震技術，不僅可以大大改善結構的安全性，而且可以大幅度地減少工程成本。從長遠的觀點來看，也就是在將來發(fā)生更大的地震時，傳統(tǒng)的地震災害所帶來的經(jīng)濟損失既有直接的經(jīng)濟損失，也有間接的經(jīng)濟損失。而采用隔震技術的房屋，可以從根本上減少直接經(jīng)濟損失和間接經(jīng)濟損失。

3.1 隔震結構與傳統(tǒng)結構的費用比較

與常規(guī)地震構造相比，隔震結構的直接施工成本計算方法主要有：增加的部分和減少的部分。

從增加的部分來說，隔震結構的隔震層比較復雜，需要專業(yè)人士進行設計，因此需要考慮到隔震層的設計成本。由于隔震結構對地基的要求比較高，所以有可能會增大地基的土方，并增加隔震層的底板和上托梁。除此之外，隔震層的變形能力很大，必須采取特殊的措施來處理通過隔震層的管道和線路。根據(jù)國內外的經(jīng)驗，采用隔震技術的房屋在25m 以下的建筑中，與常規(guī)的地震相比，其成本可提高約4%至5%；25m 至30m 以下的房屋，其隔震技術和防震技術的成本差異不大；30m 或更高的建筑成本將減少0%至5%。在我國，采用隔震技術建設的房屋在歷次地震中都發(fā)揮了相當大的作用，使人民的生命和財產(chǎn)得到了最大程度的保障，為國家的經(jīng)濟和社會發(fā)展做出了巨大的貢獻。通過大量的研究和分析，發(fā)現(xiàn)隔震結構的成本通?？梢詼p少1～4 個百分點[4]。

從減少的部分來講，在采用隔震技術后，由于上層結構吸收的能量很多，所以可以適當減少上部結構的體積，從而減少材料和重量，從而減少地基的截面尺寸，從而減少地基的成本。隔震層的作用是防止地震能量向上傳遞，使部分錨桿的連接變得簡單，并能減少結構的控制要求。但隔震層的設計要引起足夠的重視，因為隔震層是整個隔震體系的核心，其性能的優(yōu)劣直接影響著隔震的質量。在這種情況下，高層建筑的安全問題已經(jīng)成為了設計者關注的焦點。在高烈度區(qū)，如果采用隔震支座，則可以使結構的梁、柱、板等主要承載構件的截面尺寸變得更小，鋼筋的使用量也會有所減少，結構的布局也會變得更靈活，高烈度區(qū)的房屋，在允許的限度之內，盡可能地降低地震設防烈度，因為隔震結構的隔震效果好，所以在目前的土地使用非常有限的條件下，可以適當?shù)奶岣邩菍拥臄?shù)目。通過以往的經(jīng)驗，在使用隔震技術后，該結構的成本相對于常規(guī)的抗震建筑降低約10%-20%。

3.2 結構減少損失的費用比較

隔震結構的層間位移較低，而在隔震層之上則是接近平動，基本上處于一個彈性階段。結構在地震中的破壞主要有：由于各個樓層的加速度而導致的破壞；其次，層與層之間的相對位移造成的損失，由于層間的過度位移會導致結構發(fā)生大的變形，導致結構的主體和關鍵部件的損壞，所以要盡量減小層之間的相對位移。

采用常規(guī)的抗震結構，很難減少這種損失，提高結構的剛度，可以減少相對位移，但同時也會增大建筑的樓面加速度，影響結構的安全性；同時，由于結構的剛度減少，樓面加速度下降，但層間的相對位移也會增加，這對結構的穩(wěn)定不利，必須尋求一種兩全其美的方法，而使用隔震技術的建筑，不僅可以減少樓層之間的相對位移，還可以減少樓層的加速度，同時還可以有效的彌補結構的不足，同時還可以方便維修，大大減少了維修成本。

采用鉛芯式疊層橡膠隔震支座，其優(yōu)點是：減小了上部結構及基礎斷面尺寸，減小了鋼筋用量，降低了地基處理面積，簡化了非結構構件的聯(lián)錨，降低了造價，降低了材料成本，而且易于震后進行維修，經(jīng)濟效益和社會效益都很好。在發(fā)生地震時，可以起到保護人民生命和財產(chǎn)安全、吸收地震能、降低不必要的損失等作用。因而，隔震技術在當今的建筑結構中得到了廣泛的應用，尤其是在地震頻發(fā)的國家。為了更好地為社會服務，我們需要進一步地開展隔震技術的研究。

結語：

總之，隔震技術在建筑施工中占有重要地位，必須重視隔震技術的研究，并根據(jù)實際情況靈活應用，以提高建筑的使用壽命和安全性，從而為我國建筑行業(yè)的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展打下良好的基礎。