結(jié)構隔震設計

劉玉娟 楊 清 曹 寧（山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學），山東 青島 266590）

結(jié)構隔震設計

劉玉娟 楊 清 曹 寧
（山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學），山東 青島 266590）

傳統(tǒng)抗震已經(jīng)不滿足現(xiàn)代建筑的要求，因此采用隔震設計在建筑物和構筑物的基底或某個位置設置控制機構來隔離或耗散地震能量，以避免或減少地震能量向上部結(jié)構的傳輸，使結(jié)構振動反應減輕，實現(xiàn)地震時建筑物只發(fā)生較輕微的運動和變形，從而保障建筑物的安全。

隔震設計；基礎隔震；中間層隔震；隔震支座

傳統(tǒng)的抗震設計主要是經(jīng)過簡化后的模型動力學分析和建筑抗震經(jīng)驗設計，即一次次的震害分析進行修正、補充，得到一些建筑物在地震作用下的反應機理及破壞形式，提出了一些建筑物抗震的計算方法及設計的基本原則。在結(jié)構設計中設置多道抗震設防線、選用耗能構件和對結(jié)構的剛度、承載力、延性的合理匹配來提高結(jié)構抗震性能，這些在實際應用中得到了很不錯的效果。但是，針對某些重要的建筑物安全性較高的要求和對一些建筑物的修復加固改造的問題，在建筑設計和施工中逐漸地采用隔震和消能減震技術。隔震即是隔離地震，隨著科技發(fā)展，這種技術越來越來受到人們的重視。

1 隔震結(jié)構設計

1.1 隔震設計要求

設計方案：應根據(jù)建筑抗震設防類別、抗震設防烈度、場地條件、建筑結(jié)構方案和建筑使用要求，與建筑抗震的設計方案進行技術、經(jīng)濟可行性的對比后，確定其設計方案。

設防目標：隔震建筑，其抗震設防目標應高于抗震建筑。在水平地震方面，隔震結(jié)構具有比抗震結(jié)構至少高0.5個設防烈度的抗震安全儲備。豎向抗震措施不應降低。

隔震部件：設計文件上應注明對隔震部件的性能要求；隔震部件的設計參數(shù)和耐久性應由試驗確定；安裝前對工程中所有各種類型和規(guī)格的部件原型進行抽樣檢測，每種類型和每一規(guī)格的數(shù)量不應少于3個，抽樣檢測的合格率應為100；設置隔震部件的部位，除按計算確定外，應采取便于檢查和替換的措施。

1.2 設計原則

在隔震結(jié)構的設計中，應通過對結(jié)構的整體特性、結(jié)構布置、結(jié)構剛度的分布等情況進行合理設置，控制結(jié)構在地震發(fā)生時的反應性能，達到減小地震反應的目的。控制隔震支座的布置及結(jié)構的剛度，使其分布均勻。盡量使結(jié)構剛度中心與上部結(jié)構質(zhì)量中心的偏移小一些， 基礎隔震技術對低層多層建筑最為適合，隔震建筑的房屋高度和層數(shù)應符合有關設計技術規(guī)范中的相應規(guī)定。隔震建筑一般更適合于I、II、III類建筑場地，并且選用剛性較好的基礎類型，以保證隔震層的穩(wěn)定性和在地震中運動的一致性。應對非地震作用的水平荷載（如風荷載）加以限制。應對隔震結(jié)構的高寬比加以控制。隔震結(jié)構的高寬比應滿足規(guī)范的要求。當高寬比不滿足要求時，應進行罕遇地震下的抗傾覆驗算。

合理設置隔震結(jié)構的基本周期原則。基礎隔震層一般應設置在結(jié)構第一層以下的部位，隔震層在罕遇地震下應保持穩(wěn)定，且不出現(xiàn)不可恢復的變形。控制隔震結(jié)構的節(jié)點構造，保證隔震層在地震時有效發(fā)揮作用。穿過隔震層的設備配管和電器、通信系統(tǒng)的配線，應采用撓曲柔性連接等適應隔震層罕遇地震水平位移的措施；采用鋼筋或鋼架接地的避雷設備，應設置跨越隔震層的接地配線。建筑隔震橡膠支座和隔震層的其他部件尚應根據(jù)隔震層所在位置的耐火等級采取相應的防火措施。對于體型復雜或有特殊要求的結(jié)構應進行模型試驗。

2 隔震類型

2.1 基礎隔震

基礎隔震，就是在建筑物的基礎與上部結(jié)構之間增設高度很矮，具有足夠可靠性的隔震層，控制地面運動向上部結(jié)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(jié)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(jié)構內(nèi)部的次生災害。基礎隔震以其極少的投資換取很大的安全系數(shù)。基礎滑動隔震效果受地面運動頻率特性的影響較小，幾乎不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

在其中使用的橡膠隔震墊有良好的隔震性能，如果上部結(jié)構仍然按傳統(tǒng)的抗震設計，其總工程費用略有增加。隔震結(jié)構與一般結(jié)構相比，費用增加的部分包括:隔震構件、隔震層上面的樓面、設備管道的柔性接頭及相應的設計費用和施工費用。為達到明顯減震效果，通常基礎隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：承載特性，隔震特性，復位特性和耗能特性。基礎隔震的機理明確，減震效果明顯，適用于不同烈度和不同抗震要求的建筑物，主要有以下優(yōu)越性：明顯有效地減輕結(jié)構的地震反應；簡化了抗震設計和建筑隔震建筑物維修方便。我國己將基礎隔震設計納入《建筑抗震設計規(guī)范》（5001一2001）。

2.2 層間隔震

層間隔震是將隔震層設置在建筑物某層柱子和樓板之間以進行結(jié)構的地震反應控制。層間隔震可根據(jù)結(jié)構本身的特點,設置在結(jié)構豎向剛度有突變的部位、結(jié)構形式有變化的部位,或結(jié)構的一層頂、中間層、和頂層等。在隔震層下部結(jié)構同普通建筑物一樣直接與地基接觸,因此它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。

隔震裝置布置和選取的一般原則為:隔震層具有適當?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，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(jié)構的質(zhì)心基本一致； 隔震裝置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； 隔震裝置具有良好的自動復位功能,當發(fā)生余震時，可繼續(xù)有效發(fā)揮隔震作用；隔震裝置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。

2.3 隔震支座

隔震橡膠支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座等 。天然夾層橡膠支座具有較大的豎向剛度，承受建筑物的重量時豎向變形小，而水平剛度較小，且線性性能好。由于天然夾層橡膠支座的阻尼很小，不具備足夠的耗能能力，所以在結(jié)構使用中一般同其它阻尼器或耗能設備聯(lián)合使用。

鉛芯隔震橡膠支座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制開發(fā)，以后在中國、日本、美國、意大利等國家都得到了較大的發(fā)展與應用。因為鉛芯橡膠支座不但具有較理想的豎向剛度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故鉛芯橡膠支座在結(jié)構使用中受到廣泛歡迎。

3 隔震與抗震的比較

隔震系統(tǒng)增大了結(jié)構柔度因而使結(jié)構自振周期增大。減小了結(jié)構的地震加速度反應。阻尼的增大會遏制位移的過度增大。采用滯變（或粘滯）隔震器隔震的許多概念與傳統(tǒng)的控制破壞方法（承載力設計）概念類似。在隔震法和承載力設計方法中，都設計了專門選擇的延性部件來承受屈服后若干次反復循環(huán)荷載的作用，屈服水平選擇成使傳遞到結(jié)構其他部件的力局限于彈性或低延性范圍。抗震設計的傳遞路徑不是很明確的，而隔震結(jié)構的引導是明確的 。

圖2 地震動傳遞系數(shù)與頻率比

隔震是新的抗震方法，它旨在依靠限制而非抵抗地震作用來保護結(jié)構不受地震破壞。常規(guī)的抗震設計方法是使結(jié)構具有足夠的強度、變形能力和消能能力，以抵御地震作用力，而結(jié)構的峰值加速度反應通常大于地面運動的峰值加速度。隔震限制了地震作用力，因為柔性基礎使結(jié)構與水平地面運動在很大程度上解除了耦聯(lián)關系，結(jié)構的反應加速度一般要比地面加速度小。阻尼裝置消耗了輸入地震動的能量，使傳遞到隔震結(jié)構上的作用力進一步減小。

[1] 日本建筑學會編.《隔震結(jié)構設計》.劉文光譯.北京：地震出版社，2006.

[2]倪國葳，趙亞敏，蘇幼坡．框架隔震建筑設計方法及應用[J]．世界地震工程，2005，21(4)：113-118．

[3]田其豐．框架結(jié)構橡膠墊基礎隔震系統(tǒng)研究[D]．西北工業(yè)大學，2004．

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1007-6344（2016）04-0089-01