隔震建筑結構設計與工程減震

【摘 要】 隔震是工程減震研究最早、應用最廣的技術，主要通過在建筑相應部位設置隔震機構來隔離耗散地震能量，避免減少其向上部結構的傳輸，來達到減震目的。隔震技術設防策略主要立足于“隔離避讓”、“以柔克剛”。隔震設計或隔震術有助于降低建筑物，特別是高層建筑在地震中的影響， 與傳統(tǒng)方法相比，更為合理可靠。

【關鍵詞】 隔震技術 工程減震 隔震設計

地震是一種對建筑物破壞性極強的自然災害。有中國特色社會主義社會的迅速發(fā)展對現(xiàn)有建筑結構的性能水準和功能提出了更高的要求。研究更加經(jīng)濟、安全、可靠的結構抗震新體系，修正、補充，完善現(xiàn)有的結構抗震設計理論與方法，己成為工程結構領域的重要課題，對有效地減輕地震災害有重要的現(xiàn)實意義。 由于傳統(tǒng)的技術對結構震后的性能和不可靠程度缺乏準確地了解，故較難達到強度和延性的合理匹配。采用隔震技術對通過在隔震層設置剛度很小的隔震裝置，將地震變形集中到隔震裝置上，對提高結構的抗震性能意義重大。

過去，傳統(tǒng)抗震結構耗能能力依賴于主體結構的延性，即主要利用構件屈服后的塑性變形和耗能來耗散地震的能量。這種抗震結構是通過在結構設計中設置多道抗震設防線、選用耗能的構件和對結構的剛度、承載力、延性的合理匹配來提高抗震結構耗能能力。很難實現(xiàn)既要求主體結構強度高，又要求延性好。一旦這些區(qū)域產(chǎn)生問題，就會嚴重的影響結構的抗震性能，甚至產(chǎn)生嚴重破壞。防止結構倒塌是抗震的目標，傳統(tǒng)抗震結構性能在很大程度上依賴于構件自身的延性，但卻忽略了對結構損傷程度的控制。而且由于破壞部位位于結構主要抗震構件，修復是復雜而又難進行的。

基于性能的隔震技術抗震設計方法是抗震設計發(fā)展的主流。隔震技術屬近年興起的新興學科，即通過隔震吸收地震能量，有效地減少結構的水平地震作用，消除或減輕建筑物的地震損壞，增強其地震安全性，提高抗震能力。隔震技術不僅在新建工程中獲得應用，而且可以用于舊有建筑的抗震加固，改造。隔震裝置可安裝在結構的防火層或設備層，隔震層可設置在結構的不同部位，如基礎、中間層等，也可設置在房屋的頂層，同時起到結構加層和抗震加固的目的。隔震技術的設防策略主要立足于“隔離避讓”、“以柔克剛”。

隔震建筑的形式主要有基礎隔震，中間層隔震。

所謂基礎隔震，就是在建筑物的基礎與上部結構之間增設隔震層，控制地面運動向上部結構傳遞，地震時其能量可反饋到地面或由隔震層吸收，以大大減小結構及構件的地震反應，確保建筑物的整體安全，其內(nèi)部設備不發(fā)生破壞或喪失使用功能，室內(nèi)人員不遭受傷害也不會有強烈震感。同時，還可防止結構內(nèi)部的次生災害。主震后無需避震疏散，即使發(fā)生罕遇大震隔震房屋也不會倒塌。基礎隔震結構是以在建筑物上部結構與基礎之間設置隔展裝置形成一個水平側向剛度較小隔震層，通過這一隔震層來調(diào)整結構從而改變結構的自振頻率，延長結構自振周期，增強結構的吸能與耗能能力，以大大減小結構的地震反應，降低地震作用對上部結構的破壞能力。通常使用橡膠隔震墊，不僅有良好的隔震性能，而且在造價方面也有其優(yōu)越性。橡膠墊塊材料可采用用天然橡膠，也可用人工合成。墊塊用橡膠片與薄銅板疊合來提高墊塊的垂直承載力和豎向剛度。

基礎隔震設計上應注意，在建筑物周邊，隔震層部分比基礎大一圈，場地要寬裕，要確保地震時不因上部結構的移動而帶來其它問題，方便檢查和更換隔震裝置，為使設備管線適應隔震層的位移和變形，常采用柔性連接或球型接點，要考慮安放裝置及檢修的空間，隔震建筑物與其它建筑物之間的聯(lián)系通道要適應相對變形，確保暢通無阻。

所謂中間層隔震，即在基礎以上的中間樓層設置隔震層。中間層隔震下部結構直接與地基接觸，不存在基礎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。隔震層以上結構的地震作用和抗震措施應根據(jù)水平向減震系數(shù)確定，并符合下列要求：計算地震作用時，水平地震影響系數(shù)的最大值可采用抗震設計時的水平地震影響系數(shù)最大值水平向減震系數(shù)的乘積，但豎向地震影響系數(shù)最大值不應降低。隔震層以上結構的水平地震作用沿高度可采用矩形分布。隔震層要具有適當?shù)乃絼偠龋趶婏L作用下，隔震層具有足夠的初始剛度，在較大地震作用時，隔震層產(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構的質(zhì)心基本一致。 隔震裝置具有良好的自動復位功能，在發(fā)生大震后，可基本復位到初始位置，當發(fā)生余震時，可繼續(xù)有效發(fā)揮隔震作用，要具有足夠的豎向承載力和水平變形能力，在發(fā)生大震時，可安全穩(wěn)定地支撐建筑物，不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，能發(fā)揮隔震功能，具有較大的豎向剛度，在設計豎向荷載作用下，豎向位移被控制在允許值以下。 隔震裝置的剛度和阻尼要具有較好的穩(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，具有良好的耐久性，具有良好的抗老化、抗疲勞、抗徐變等性能，在建筑物的使用期內(nèi)能有效發(fā)揮隔震作用。場地不太寬裕，隔震層可設計在地面以上，有利于節(jié)約用地，也有效減少地基的挖土量。設計上應注意：為適應隔震層移動變形，該部分的建筑外墻設水平縫，要考慮防水、隔音、防火等，注意立面的協(xié)調(diào)美觀；考慮防火區(qū)間的劃分，并解決樓梯、電梯井、機器升降、設備管線等貫穿隔震層的問題；便于檢查、更換隔震裝置及耐火材料等。

隔震建筑在各方面提高了建筑的附加價值。從國內(nèi)外建筑的實例來看，采用隔震抗震結構，建筑全部工程費用可能增加，但其隔震效果好，上部結構和基礎結構部分的造價減少很多。而且如果利用隔震層可作為設備層或停車場，就可以有效的抵制隔震層的費用增加。總造價反而可能會降低。因此，與以往建筑比較時，應考慮附加價值進行綜合評價。在考慮隔震建筑的造價時，不僅要考慮其初始造價，還要考慮其使用階段期間遭受地震損壞的維修、重建、內(nèi)部物品的損壞和經(jīng)濟損失，在此意義上，隔震建筑具有很好的經(jīng)濟性。

傳統(tǒng)的依賴結構延性的抗震措施是以一定的損傷為代價減小地震反應，應用見證效能技術則可以減小結構本身的損傷，對各類結構基本上能使用，其減震效果對地面運動特性依賴性較小，耗資也不是很大，因此是可以廣泛使用的方法。值得注意的是增大阻尼在減小結構相對位移反應和變形的過程中有時會使結構的絕對速度和加速度增大，從而對內(nèi)部設備和人員帶來某些不利影響。基礎隔震對在短周期內(nèi)地面運動影響下的中短周期結構而言，其減震效果比消能技術更好，但對地面運動輸入特性比較敏感，不能完全消除共振的危險性。半主動控制和混合控制方法可以滿足不同的設防要求，對地面運動和結構本身不確定性的地適應能力更強，可以提高結構在地震作用下的安全性，引入智能元件以后，效果會更好，因此是值得重視的新領域。此外尚應在不同學科和專業(yè)之間開展合作和交叉研究，開發(fā)使用的裝置、機構和配套技術，盡快形成新的產(chǎn)業(yè)，以支持新技術的推廣應用。結構振動控制的研究和應用需要講傳統(tǒng)的建造技術與高新技術相結合，使結構的安全保障系統(tǒng)成為智能結構的重要組成部分，為人類營造一個更加安全舒適的工作和生活環(huán)境。

參考文獻

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