吳 彬 胡偉華 闞正武

(1.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北十堰 442000；2.十堰城控建筑設(shè)計有限公司，湖北十堰 442000)

0 引言

我國建設(shè)的隔震建筑最早出現(xiàn)于1993年，即汕頭陵海路八層框架結(jié)構(gòu)商住建筑物，并在1994年被稱為“世界建筑隔震技術(shù)發(fā)展第三個里程碑”。隨著隔震減震控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今廣東、云南、四川等多座城市均已建成至少3000棟隔震建筑物，依托預(yù)防切割與控制擺動一體化設(shè)計理念，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)具有顯著優(yōu)勢，理應(yīng)擴(kuò)大技術(shù)推廣范圍。本文立足隔震減震控制技術(shù)原理，分析隔震減震控制技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

1 隔震減震控制技術(shù)應(yīng)用原理

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用隔震減震控制技術(shù)，實則是從層間隔震與消能減震兩個層面削弱地震災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)的危害，且建筑結(jié)構(gòu)多通過結(jié)構(gòu)動力特性分析抗震性，參照下列公式以結(jié)構(gòu)自振周期（T）總結(jié)建筑物受力特征，其結(jié)構(gòu)自振周期與基底水平剪力變化規(guī)律見圖1。

圖1 技術(shù)原理圖（結(jié)構(gòu)自振周期-基底水平剪力）

式中:

m——建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量；

k——剛度系數(shù)，且剛度系數(shù)越小，自振周期越大。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段可結(jié)合最大自振周期制定設(shè)計方案。

在設(shè)計人員具體設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時，還可以依據(jù)動力方程式厘清地震響應(yīng)抵御思路。包括在建筑結(jié)構(gòu)上安裝隔震支座或耗能支座等設(shè)施，便于改善動力響應(yīng)，調(diào)節(jié)振動特性，產(chǎn)生隔震減震目的[1]。

式中：

M、C、K——分別指建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼、剛度；

F（t）——建筑結(jié)構(gòu)被施加的外作用力。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中可利用質(zhì)量、剛度、阻尼、外作用力控制方式消除地震響應(yīng)，這樣方能保證建筑結(jié)構(gòu)在地震影響下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2 隔震減震控制技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的應(yīng)用

2.1 優(yōu)選隔震減震材料

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用隔震減震控制技術(shù)，要求施工人員在設(shè)計人員出具的設(shè)計方案指引下，充分使用隔震減震材料搭設(shè)建筑結(jié)構(gòu)，這樣方能強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)抗震性。比如施工人員可以選用瀝青填充材料進(jìn)行隔震層施工，此種帶有隔震減震功效的施工材料，是彰顯隔震減震控制技術(shù)實踐價值的重要依據(jù)。

除了瀝青材料外，還可應(yīng)用減隔震隔音泡沫板，作為高密度發(fā)泡材料，能夠在建筑結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)長達(dá)30年的持久性作用，并具有易于施工、裁剪等優(yōu)勢。常見尺寸為200m×1.52m×3.5mm 和100m×1.55m×5mm，具體可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)墻體等實際面積確定材料用量。與傳統(tǒng)砂礫、混凝土基面等設(shè)計方式比較，該材料可鋪設(shè)于水泥漿下方，用寬度50mm左右的膠紙予以密封，同時嚴(yán)控該材料使用厚度，多具有5mm左右厚度。若施工范圍高于6m2，理應(yīng)依靠混凝土配筋墊層改善材料隔震減震性能。經(jīng)過對新材料的應(yīng)用，可強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)隔震減震控制效果。

2.2 安設(shè)隔震減震設(shè)施

隔震減震技術(shù)在我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛應(yīng)用，尤其自汶川地震以來，應(yīng)用更為普遍。在2021年全面頒布“建設(shè)工程抗震管理條例”后，促使對該技術(shù)的關(guān)注度日益提高，并在設(shè)防類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中進(jìn)行必要性應(yīng)用。而在優(yōu)選相關(guān)材料后，還可以安設(shè)隔震減震設(shè)施。其中最普遍的包括隔震支座和阻尼器。如摩擦擺隔震支座，尤其氣溫在零下25℃的寒冷地帶，通過該設(shè)施可保證建筑結(jié)構(gòu)遭受地震侵襲后鮮有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損現(xiàn)象，且該設(shè)施無需承受結(jié)構(gòu)拉力，能在提離后持續(xù)表現(xiàn)隔震減震效能。

另外，也可使用鉛芯橡膠支座。如萬科徐涇地鐵項目中，專門結(jié)合工況選用該設(shè)施，并秉承著大直徑減少安設(shè)數(shù)量的形式，實現(xiàn)均勻分布，并且安裝后建筑結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力得以提升。此外，還可應(yīng)用碟簧聯(lián)合單摩擦擺三維隔震裝置，其原理是疊合碟簧層間使用玻璃纖維降低層間摩擦力。安裝此設(shè)施后建成的混凝土結(jié)構(gòu)，其最大豎向加速度可降低50%，鋼結(jié)構(gòu)中最大豎向加速度可降低35%，從而改善結(jié)構(gòu)性能[2]，在市政交通軌道建筑項目中得到應(yīng)用。

阻尼器可從粘滯性、粘彈性兩種不同類型阻尼器中擇優(yōu)而選。前者是由阻尼孔、活塞、導(dǎo)桿等結(jié)構(gòu)組成的流體阻尼器。后者是在鋼板層之間摻雜彈性層，建立帶有抗震能量消除功能的阻尼器。經(jīng)隔震減震設(shè)施的有效應(yīng)用，可提升抗震設(shè)計有效性。

2.3 推行框架懸掛設(shè)計

建筑物層間結(jié)構(gòu)會因力的傳遞而出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。若能在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用框架懸掛設(shè)計技術(shù)，即可體現(xiàn)隔震減震效果?？蚣軕覓煸O(shè)計指的是針對建筑結(jié)構(gòu)實施懸掛操作，將其在框架懸掛狀態(tài)下，降低力的相互作用，避免在地震沖擊下引起框架結(jié)構(gòu)相互擠壓，從某種程度上可以延緩建筑結(jié)構(gòu)損傷速度。通常在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)適用性較強(qiáng)，可將建筑結(jié)構(gòu)劃分為主框架、子框架兩個部分，以懸掛設(shè)計方式維護(hù)框架結(jié)構(gòu)相互關(guān)系。在發(fā)生地震災(zāi)害時，主框架會在地震波刺激下產(chǎn)生劇烈搖晃情況，在懸掛鏈條的助力下，因框架之間并未直接相鄰搭設(shè)，故此可避免子框架被主框架影響而晃動，進(jìn)而達(dá)到維護(hù)子框架安全的目的。因此，對建筑結(jié)構(gòu)推行框架懸掛設(shè)計，是目前隔震減震控制技術(shù)重要的應(yīng)用途徑，應(yīng)依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計條件確定適合的隔震減震控制技術(shù)應(yīng)用方向[3]。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中隔震減震控制技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化手段

3.1 仿真設(shè)計細(xì)化設(shè)計方案

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用隔震減震控制技術(shù)，可以采用仿真設(shè)計方法細(xì)化設(shè)計方案，以便取得滿意的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計效果。首先，設(shè)計人員使用有限元分析軟件建立建筑結(jié)構(gòu)仿真模型；其次，根據(jù)設(shè)計方案細(xì)節(jié)模擬結(jié)構(gòu)分布關(guān)系，包括在三維空間中以法線、標(biāo)高、平行線作為建模依據(jù)，并判斷在不同設(shè)計方案下建筑結(jié)構(gòu)恢復(fù)力（f）；最后，結(jié)合上述研究內(nèi)容，多以阻尼器、隔震支座作為優(yōu)選隔震減震裝置，并出具完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。仿真設(shè)計方法的應(yīng)用可以有效分析每一種方案的可行性。參照上述公式（1）統(tǒng)計自振周期，不同建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案自振周期變化情況見表1所示。其仿真模型中恢復(fù)力同彈性剛度（k）、屈服應(yīng)力（σy）的相關(guān)性。

表1 不同建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案自振周期變化情況

式中：

d——變形量；

r——屈服后剛度與彈性剛度比值；

e——相關(guān)指數(shù)（≥1），當(dāng)e增加時，證明建筑結(jié)構(gòu)屈服比較大。

在具體設(shè)計階段可以通過安裝阻尼器或設(shè)置隔震支座的形式分別編制設(shè)計方案，也可同時使用兩種隔震減震設(shè)施。且方案一（隔震支座）中對應(yīng)的自振周期數(shù)據(jù)偏大，源于建筑結(jié)構(gòu)剛度降低，利用隔震支座將改善結(jié)構(gòu)剛度。而方案二（軟鋼阻尼器）使用的隔震減震設(shè)置，能引起自振周期先大后小，最終提高建筑結(jié)構(gòu)剛度水平。若能進(jìn)行設(shè)施聯(lián)用制定方案三（混合雙控結(jié)構(gòu)），產(chǎn)生的自振周期將處于兩者范圍內(nèi)，能分別汲取各自優(yōu)勢，提高整體建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計等級，而且也能對結(jié)構(gòu)薄弱之處予以有效防護(hù)。因此，以仿真設(shè)計方法出具設(shè)計方案具有一定的適用性。

此外，在對比設(shè)計方案優(yōu)勢時，還可以根據(jù)剪力系數(shù)（af）、屈服力系數(shù)（as）分別評估應(yīng)用隔震支座與阻尼器后建筑結(jié)構(gòu)受力規(guī)律[4]。

式中：

fQmax——隔震支座最大剪力；

sQy——阻尼器阻尼屈服力；

G——質(zhì)量。

以某8度設(shè)防烈度的大型商用建筑工程為例，其底盤處設(shè)置多塔隔震結(jié)構(gòu)。具體參照仿真設(shè)計模型分析剛度變化規(guī)律，并依據(jù)屈服力等指標(biāo)確定隔震支座數(shù)量，以鉛芯阻尼支座、隔震支座為主，保證此工程建設(shè)的結(jié)構(gòu)符合抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。不同建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案自振周期變化情況見表1。

3.2 合理設(shè)計技術(shù)參數(shù)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)于隔震減震控制技術(shù)的有效應(yīng)用，應(yīng)合理設(shè)計技術(shù)參數(shù)，并保證所搭配的阻尼器等隔震減震設(shè)施數(shù)量符合工況要求。比如在某工程中使用黏滯阻尼器，其阻尼指數(shù)應(yīng)為0.2，阻尼系數(shù)應(yīng)為500kN/s/m，最大阻尼力應(yīng)控制在350kN左右，容許位移量設(shè)計值應(yīng)為±30mm。只有合理控制相關(guān)參數(shù)，才能體現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢。而且還需結(jié)合各地區(qū)地震發(fā)生頻率，即屬于罕遇地震地帶還是多震地帶。之后還需從層間剪力、位移角等方面衡量設(shè)計方案的可行性。即多震地帶內(nèi)建設(shè)建筑物，可妥善安裝黏滯阻尼器，利用該設(shè)施增強(qiáng)層間剪力，保證建筑物建成后能多次在地震災(zāi)害中起到隔震減震效果。至于位移角參數(shù)，在比較不同方向建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用與未用隔震減震控制技術(shù)時，顯然應(yīng)用該技術(shù)對應(yīng)的層間位移角更小，表明使用阻尼器后能應(yīng)對層間位移風(fēng)險。尤其在多震地帶建筑物頻繁遭受地震危害，若出現(xiàn)較大的層間位移角，將直接縮短建筑結(jié)構(gòu)使用年限。所以，經(jīng)過布設(shè)相關(guān)設(shè)施后形成的建筑結(jié)構(gòu)，若能保持較小的層間位移角以及較大層間剪力，即可提高減震率，因此，應(yīng)加強(qiáng)對隔震減震建筑結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[5]。

3.3 創(chuàng)新建筑消能裝置

要想增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)隔震減震性能，應(yīng)積極創(chuàng)新消能裝置，使建筑結(jié)構(gòu)在消能裝置的輔助下對結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生保護(hù)效果。此處提及的消能裝置多指上文提及的阻尼器等。相關(guān)人員需要不斷依據(jù)工況減震需求研發(fā)全新的消能裝置，便于為設(shè)計單位提供新的隔震減震設(shè)施選擇。

如昆明機(jī)場在早期建設(shè)期間，應(yīng)用新型橡膠隔震支座，以安裝更換方式，聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)密切關(guān)注隔震支座安裝后結(jié)構(gòu)隔震層性能變化情況，防止因缺少有效監(jiān)測，造成建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的隔震減震設(shè)施難以發(fā)揮顯著作用。目前，研發(fā)的隔震橡膠支座新品已逐漸得到了大范圍應(yīng)用。此種隔震支座是使用橡膠、鋼板材料組合而成，外部存在保護(hù)膠，相比傳統(tǒng)橡膠隔震支座，新品自振周期較大且上部結(jié)構(gòu)對地震的反應(yīng)力僅為抗震結(jié)構(gòu)的25%，可充分應(yīng)對地震危害。同時，還有Ⅱ型隔震橡膠支座，如LRB400橡膠支座，總高度165m，有效直徑400mm，屈服前后剛度為8.79kN/mm、0.68kN/mm，屈服力為27kN。經(jīng)過新消能裝置的創(chuàng)新設(shè)計，有望提升設(shè)計水準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，隔震減震控制技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中屬于重要的抗震設(shè)計技術(shù)，此技術(shù)的有效應(yīng)用，有利于改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性與穩(wěn)定性。眾多實踐證明，從優(yōu)選隔震減震材料、安設(shè)隔震減震設(shè)施、框架懸掛設(shè)計等方面著手，并采用仿真設(shè)計、技術(shù)參數(shù)設(shè)計、消能裝置創(chuàng)新設(shè)計等優(yōu)化技術(shù)，保證在良好的隔震減震設(shè)計條件下，成功建設(shè)具有強(qiáng)效隔震減震性能的優(yōu)質(zhì)建筑物。