高層建筑中的隔震結構

李明軍

地震是一種自然災害，地震具有突發性的特點，至今可預報性仍然很低，我國屬地震多發國家，因此研究結構的抗震性能在我國具有充分的必要性。

1 結構隔震的原理與隔震結構的特點

1.1 結構隔震的概念與原理

在建筑物基礎與上部結構之間設置隔震裝置(或系統)形成隔震層，把房屋結構與基礎隔離開來，利用隔震裝置來隔離或耗散地震能量以避免或減少地震能量向上部結構傳輸，以減少建筑物的地震反應，實現地震時建筑物只發生輕微運動和變形，從而使建筑物在地震作用下不損壞或倒塌，這種抗震方法稱之為房屋基礎隔震。其原理是通過設置隔震裝置系統形成隔震層，延長結構的周期，適當增加結構的阻尼，使結構的加速度反應大大減少，同時使結構的位移集中于隔震層，上部結構像剛體一樣，自身相對位移很小，結構基本上處于彈性工作狀態，從而使建筑物不產生破壞或倒塌。

1.2 隔震結構的特點

抗震設計的原則是在多遇地震作用下，建筑物基本不產生損壞;在罕遇地震作用下，建筑物允許產生破壞但不倒塌。按抗震設計的建筑物，不能避免地震的強烈晃動，當遭遇大地震時，雖然可以保證人身安全，但不能保證建筑物及其設備及設施安全，而且建筑物由于嚴重破壞常常不可修復。如果用隔震結構就可以避免這類情況發生，隔震結構通過隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結構全部傳輸，因而，上部結構的地震反應大大減小，震動減輕，結構不產生破壞，人員安全和財產安全均可以得到保證。

1.3 隔震結構的優點

提高地震時結構的安全性;上部結構設計更加靈活，抗震措施簡單明了;防止內部物品的震動、移動、翻倒，減少了次生災害;防止非結構構件的損壞;抑制了震動時的不舒適感，提高了安全感和居住性;可以保持機械、儀表、器具的功能;震后無需修復，具有明顯的社會效益和經濟效益;經合理設計，可以降低工程造價。

1.4 隔震結構的適用范圍

隔震結構的適用范圍包括:醫院、銀行、保險、通訊、警察、消防、電力等重要建筑;首腦機關、指揮中心以及放置貴重設備、物品的房屋;圖書館和紀念性建筑;一般工業與民用建筑。

2 隔震系統的組成與類型

2.1 隔震系統的組成

隔震系統一般由隔震器、阻尼器、地基微震動與風反應控制裝置等部分組成。在實際應用中，通?？墒箮追N功能由同一元件完成，以方便使用。

隔震器的主要作用是:一方面在豎向支撐建筑物的重量，另一方面在水平方向具有彈性，能提供一定的水平剛度，延長建筑物的基本周期，以避開地震動的卓越周期，降低建筑物的地震反應，能提供較大的變形能力和自動復位能力。

阻尼器的主要作用是:吸收或耗散地震能量，抑制結構產生大的位移反應，同時在地震終了時幫助隔震器迅速復位。

地基微震動與風反應控制裝置的主要作用是:增加隔震系統的初期剛度，使建筑物在風荷載或輕微地震作用下保持穩定。

2.2 隔震系統的類型

常用的隔震器有疊層橡膠支座、螺旋彈簧支座、摩擦滑移支座等。目前國內外應用廣泛的是疊層橡膠支座，它又可分為普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等。

常用的阻尼器有彈塑性阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯性阻尼器、摩擦阻尼器等。

常用的隔震系統主要有疊層橡膠支座隔震系統、摩擦滑移加阻尼器隔震系統、摩擦滑移擺隔震系統等。

目前，隔震系統形式多樣，各有其優缺點，并且都在不斷發展。其中疊層橡膠支座隔震系統技術相對成熟，應用最為廣泛，尤其是鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座系統，由于不用另附阻尼器，施工簡便易行，在國際上十分流行。我國《建筑抗震設計規范》和《夾層橡膠墊隔震技術規程》僅針對橡膠隔震支座給出了有關的設計要求。

3 隔震結構的設計要求

3.1 隔震的要求

隔震主要用于高烈度地區或使用功能有特別要求的建筑以及符合以下各項要求的建筑:

1)不隔震時，結構基本周期小于1.0 s的多層砌體房屋、鋼筋混凝土框架房屋等。2)體型基本規則，且抗震計算可采用底部剪力法的房屋。3)建筑場地宜為1，2，3類，并應選用穩定性較好的基礎類型。4)風荷載和其他地震作用以及水平荷載不宜超過結構總重力的10%。

隔震建筑方案的采用，應根據建筑抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建筑結構方案和建筑使用要求，進行技術、經濟可行性綜合比較分析后確定。

3.2 隔震層的設置

隔震層的布置應符合下列要求:1)隔震層可由隔震支座、阻尼裝置和抗風裝置組成。阻尼裝置和抗風裝置可與隔震支座合為一體，亦可單獨設置，必要時可設置限位裝置。2)隔震層剛度中心宜與上部結構的質量中心重合。3)隔震支座的平面布置宜與上部結構和下部結構的豎向受力構件的平面位置相對應。4)同一房屋選用多種規格的隔震支座時，應注意充分發揮每個橡膠支座的承載力和水平變形能力。5)同一支承處選用多個隔震支座時，隔震支座之間的凈距應大于安裝操作所需要的空間要求。6)設置在隔震層的抗風裝置宜對稱，分散地布置在建筑物的周圍或附近。

4 上部結構的地震作用和抗震措施

目前的疊層橡膠隔震支座只具有隔離或耗散水平地震的功能，對豎向地震隔震效果不明顯，為了反映隔震建筑隔震層以上結構水平地震反應減小這一情況，引入“水平向減震系數”。地震作用計算時，應對水平地震影響系數最大值進行折減。

5 隔震結構

5.1 對隔震裝置的要求

1)隔震體系是指在結構物底部與基礎面之間設置某些隔震消能裝置而構成的結構體系。該隔震消能裝置必須具備三項特性:a.使結構在基礎面上柔性滑動，有效的降低結構的加速度反應。b.具有足夠的初始剛度，以滿足正常使用要求，當強地震發生時(P≥Py)，體系進入滑動消能狀態。c.提供較大的阻尼，具有較大的消能能力，以降低結構的位移反應。

2)為了滿足上述的三項特性，常用于隔震體系的隔震消能裝置有如下幾種:a.夾層橡膠墊隔震裝置。橡膠墊既可用天然橡膠，也可用人工合成橡膠。為了提高橡膠墊塊的垂直承載力和垂直剛度，采用鋼板夾層橡膠墊塊。我國已在某地的廠房結構中采用這種隔震裝置，目前正在施工的南方汕頭市的多層住宅中也采用了這種隔震體系。b.滾珠(或滾軸)隔震加鋼板消能裝置，包括軟鋼消能桿件等。我國與加拿大學者對這種隔震裝置進行了一系列的試驗研究，取得了很有價值的成果。c.粉粒墊層隔震裝置。用精選的圓形砂粒或滑石、石墨或砂漿等作為滑動層，起隔震消能作用。我國已建成用砂粒作為隔震層的某4層民用磚石房屋。最近又在某地建成采用石墨作隔震層并用鋼棒作為消能裝置的某5層磚石房屋。

5.2 隔震結構在國內的應用

夾層橡膠墊隔震技術已經比較成熟，因此，近年我國在汕頭、安陽、西昌、廣州、大理等城市已經建成的橡膠墊多層隔震房屋已經有 20棟。聯合國 UNIDO分別在汕頭(隔震器廠)建立了夾層橡膠墊生產中心，在廣州(華南建設學院西院)建立了夾層橡膠墊試驗檢驗中心，橡膠墊隔震房屋將逐步在我國和世界各國推廣應用。

[1] 王心田.建筑結構體系與選型[M].上海:同濟大學出版社，2003:9.

[2] 豐定國，王社良.抗震結構設計[M].武漢:武漢理工大學出版社，2001:9.