淺析建筑減震隔震系統(tǒng)的分析與應用

董志城

基礎隔震體系通過在建筑物基礎和上部結構之間設置專門的橡膠隔震支座和耗能元件，形成柔性底層，稱為隔震層。通過隔震層和耗能元件，將房屋結構與基礎隔離開來，延長建筑物的自振周期，并將結構的位移集中于隔震層，建筑物上部結構類似于剛體平動一樣，自身相對位移較小，建筑物結構基本上處于彈性工作狀態(tài)，不會造成建筑物產生破壞或倒塌現(xiàn)象[1]。

近年來，通過大量試驗結果及已建造的隔震結構工程經驗，在大地震發(fā)生時，隔震系統(tǒng)一般可使上部結構承受水平地震作用降低約60%。隔震系統(tǒng)減震效果明顯優(yōu)越于一般傳統(tǒng)結構，建筑的總造價相比傳統(tǒng)的抗震加固方法增加很少，對于高烈度區(qū)尤其適用[2]。基礎隔震技術對上部結構的平面、立面、體型等限制較小。首先上部結構的層間位移、加速度已經很小，其次可以人為調整隔震支座的布置使隔震層的剛度中心和上部結構（上部結構作為一個剛體）的質心盡量重合，以減少扭轉效應。這對于不規(guī)則的建筑物尤其適用，它使地震區(qū)的建筑物的外觀視覺效果及結構設計從很多嚴格的限制中解脫出來，輕而易舉地解決了超高層建筑、大空間大開窗建筑、及平面不規(guī)則建筑的結構設計。若設計合理，地震作用后無需對建筑物進行修復，具有明顯的經濟效益和社會效益。

• 疊層橡膠支座基礎隔震體系

在建筑物基礎和上部結構之間設置疊層橡膠隔震支座，通過利用橡膠剛度小的特點能夠延長建筑物的固有自振周期，遠離場地卓越周期，從而達到減小結構地震反應的目的。目前，常用的疊層橡膠支座有以下四種類型[3-4]：普通夾層橡膠支座、鉛芯橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座、加各種阻尼裝置的夾層橡膠支座。

夾層橡膠墊是目前國內外應用最為廣泛、技術最為成熟的隔震裝置。夾層橡膠墊隔震技術的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在下述幾個方面：

1、具有較高的豎向承載能力，作為建筑物的支承墊具有較高的安全儲備。目前，我國一些隔震器材生產廠家生產的夾層橡膠墊的豎向承載力安全系數(shù)甚至能夠超過6.0。

2、具備穩(wěn)定的彈性復位功能，能在多次地震中自動瞬時復位。

3、具備明顯、穩(wěn)定的隔震效果。夾層橡膠墊具有穩(wěn)定的剛度及阻尼性能，理論計算、實驗結果及現(xiàn)場實際情況三者能夠較好的相互吻合。

4、構造簡單，安裝方便。夾層橡膠墊具有水平滑動、彈性恢復力和阻尼等特性，施工時安裝方便簡潔，在工程應用上具有較好的可行性。

5、耐久性較好。具有較好的抗低周疲勞性能、抗臭氧老化、耐火性、耐水性等性能，即在50～70年使用期間內具有較好的物理和化學穩(wěn)定性，耐久性能遠遠的優(yōu)越于其他各種隔震裝置。

6、對于不均勻沉降夾層橡膠墊受其影響較小，并且可以根據(jù)需要安裝在各個標高位置處。

二、基礎滑移隔震體系

滑移隔震的基本原理是：當結構遭受較小的地震和風荷載作用時，隔震層所受水平地震剪力小于靜摩擦力，摩擦力會阻止上部結構滑動，使建筑物保持穩(wěn)定;當隔震層承受水平地震剪力大于靜摩擦力時，滑動面開始滑移，因為結構滑移使得結構無固定的自震周期，從而能夠有效的避免共振現(xiàn)象發(fā)生。

近些年基底滑移隔震研究取得了突飛猛進的發(fā)展：

1、摩擦力模型。國內外學者根據(jù)試驗研究和實踐結果提出了一些摩擦力理想模型，間斷型和連續(xù)型兩種模型是目前最為常用的摩擦力模型。

2、結構模型分析。分為三類：剛體隔震、單質點隔震、多質點隔震。

3、抗傾覆穩(wěn)定性計算。由于滑移隔震結構在支座處上下斷開，所以極易產生傾覆失穩(wěn)問題，因而有必要確定結構的抗傾覆條件，當不滿足這一條件時，應對座采取附的參數(shù)選擇上。

4、動力可靠度。眾多學者利用隨機響應分析對滑移隔震結構的可靠性進行研究分析。

5、隔震層參數(shù)。合理的確定隔震層的參數(shù)是設計工作的重中之重。

6、能量分析。結構地震響應通過能量分析進行衡量。

三、組合隔震體系

疊層橡膠墊隔震體系具有理論分析簡單、結構性能可靠、較好的自動復位性能等優(yōu)點，但是這種結構體系在地震作用下不能完全有效的避免共振，而且工程造價較高;滑動摩擦隔震技術能夠有效的避免發(fā)生共振，并且主要是其施工簡單、造價低，受到較大的歡迎。但是在地震作用后，滑動摩擦支座可能發(fā)生不可控制的位移，不能夠自動復位。各國學者不斷嘗試將摩擦滑移支座和疊層橡膠支座進行組合，使兩種隔震支座在結構體系中能夠各自發(fā)揮優(yōu)勢。組合隔震體系按夾層橡膠墊和滑板的組合方式的不同將其分為串聯(lián)組合隔震體系和并聯(lián)組合隔震體系。

1、串聯(lián)組合隔震體系

將摩擦滑板與夾層橡膠支座上下串聯(lián)稱為串聯(lián)組合隔震體系，摩擦滑板能可利用摩擦力消耗地震能量，且起到隔離地震的作用。采用串聯(lián)組合隔震體系，在多遇水平地震作用下，其水平剛度較小，在罕遇地震下，滯回曲線具有明顯的彈塑性性質，滑移板產生滑動，由于沒有設備可以提供復位力，隔震層在地震作用結束后將保留殘余位移。目前對這種串聯(lián)基礎隔震體系的研究較少。

2、并聯(lián)組合隔震體系

并聯(lián)隔震支座采用夾層橡膠墊與摩擦滑移支座并列設置，由兩者共同承受上部結構重力荷載。它克服了橡膠墊價格高、摩擦滑移支座不能自動復位的弊端，橡膠墊能夠提供足夠的彈性恢復力、并且使結構剛度減小、周期延長，與此同時摩擦滑移支座可增大阻尼、具有良好耗能能力和經濟效益。在實際工程運用中，根據(jù)建筑結構形式、安全經濟性，采用并聯(lián)組合隔震體系，合理設計，具有較大優(yōu)越性。

并聯(lián)組合隔震體系中，豎向荷載由橡膠隔震支座和摩擦滑移支座共同承擔，鉛芯橡膠隔震支座提供阻尼和恢復力，摩擦滑移支座提供阻尼，在水平地震作用下隔震層的滯回環(huán)更加飽滿，結構的隔震耗能效果更優(yōu)。

參??考??文??獻

[1]日本免震構造協(xié)會.圖解隔震結構入門[M].北京：科學出版社，1998.

[2]尚守平.結構抗震設計[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]劉文光，周福霖，莊學真等.大直徑夾層橡膠墊力學性能研究[J]?.世界地震程.1999，15（1）：62-68

[4]劉文光.橡膠隔震支座力學性能及隔震結構地震反應分析研究[D]?.北京工業(yè)大學博士學位論文.2003