層間隔震結構技術原理及應用

趙熹　孫小童　余楠

摘 要：層間隔震是基礎隔震的延伸，它的出現擴大了隔震技術的應用范圍，雖然只是將隔震層從基礎上移，但是隔震機理已發生變化。本文介紹了層間隔震體系的類型和應用范圍，探討了對層間隔震進行參數分析時應采用的力學模型，并對影響層間隔震建筑減震效果的因素進行分析。

關鍵詞：隔震；層間隔震；阻尼比；頻率比

1引言

隔震技術之所以能減少地震力的作用，是因為隔震層延長了整個結構的自振周期，使之遠離地震動的卓越周期，隔震結構經過幾十年的發展，理論計算方法及施工工藝都趨于成熟，且在工程中已得到大量應用及驗證，是建筑抗震一種行之有效的新手段。但隔震技術不是萬能的，隔震結構在應用上仍然有一定局限性，例如高寬比較大或處于軟弱地基上的建筑，采用基礎隔震易造成整棟建筑傾覆或減震效果不明顯。層間隔震技術是在基礎隔震上發展起來的一種新的隔震體系，和基礎隔震不同，它將隔震層設置在建筑的柱子和樓板之間，進行結構地震反應控制，雖然只是將隔震層從基礎上移，但是隔震機理已發生變化。

2層間隔震體系的類型和應用

根據隔震層位置不的不同，層間隔震有多種形式。如圖1，一種是將隔震層設置在結構一層，減震機理類似于基礎隔震，不同之處在于可視外界條件來確定是否設置隔震縫；一種是將隔震層設置在中間層，稱為中間層隔震；還有一種類似于TMD系統，不同之處是將TMD中的阻尼器用橡膠隔震墊來代替，用頂層樓板或隔熱層作為TMD的質量塊，這種隔震體系稱為屋頂隔震，以上幾種使用的制震裝置都是橡膠隔震墊，只是位置不同，故統稱為層間隔震結構。

層間隔震結構最早應用于舊房改造中，由此發展，如今在多項工程領域中都有應用，它可以克服基礎隔震的某些缺陷，如近海建筑若采用基礎隔震，海水漲落潮會對橡膠隔震支座造成侵蝕；層間隔震施工時無需像基礎隔震一樣設置水平隔震縫，減少施工難度、節約工期；在地形復雜的坡地或大底盤塔樓結構這些難以使用基礎隔震的情況下仍可采用層間隔震來達到減震目的；某些放置有精密儀器或古董的樓層可以采用層間隔震保證地震時設備不被破壞，由此可見，層間隔震是隔震技術的延伸，具有廣闊的發展潛力。2014年，張尚榮、譚平等對某框架結構進行分析提出了一種基于性能的層間隔震結構抗震性能易損性的分析方法。2004年，日本Ming H.U，Hongjun S.I等對移動9層房屋進行了隔震加固，加固后該房屋結構的基本周期由0.4s變為2.7s，上部結構表現為整體平動，下部結構剪力、位移也顯著降低。日本Sueoka等對Sumitomo大樓進行了層間隔震設計，該大樓是當今世界上最高的層間隔震建筑，其由下部11層和上部14層組成，分析結果表明，采取層間隔震后，該結構主要受第2和第3震型影響，隔震支座的性能與上、下部結構的剛度共同影響建筑物的振型。

3層間隔震體系的力學模型

目前，在層間隔震結構的設計與研究中，采用的計算模型主要有一下三種：

（1）兩質點模型 將隔震層上部（含隔震層）結構和隔震層下部結構分別簡化成一個質點，對于圖1中的屋頂層隔震來說，隔震層上部所承受的質量較小，所以假定為一個單一質點是合理的，對于圖1中的底層隔震或中間層隔震來講，由于隔震層的水平剛度相對于上部結構的層間剛度要小很多，遭遇地震時，上部結構接近整體平動狀態，所以這一假設也是合理的。

（2）三質點模型 將隔震層上部結構、隔震層及隔震層下部結構分別簡化為一個質點即為三質點計模型，與雙質點模型相比，三質點模型將隔震層單獨作為一個質點考慮，這對于分析隔震層的動力特性是有幫助的。

（3）多質點模型 將結構每一層當做一個質點，即為多質點模型，這種模型能比較為準確地反應層結構各層的動力反應，但計算耗時較多，適用于對某個具體工程的設計和時程分析。

對于雙質點模型，如圖2，地震時，結構水平變形絕大部分集中在隔震層上，這種模型形式簡單，計算快捷，且突出了層間隔震結構的主要影響參數，較適合對層間隔震結構進行參數分析，故本文以雙質點模型為例，在線彈性情況下，給出振動方程：

4結語

層間隔震的主要目的是盡量減少地震時輸入上部結構的能量，減小結構的絕對加速度來削弱地震時的震感，同時還要保證下部結構的層間位移不能太大，防止房屋破壞，因而需要對影響隔震效果的參數（頻率比、質量比、阻尼比等）進行分析，使制震效果盡可能達到最優。層間隔震結構的減震效果一般與隔震層的阻尼比有關，阻尼越大，減震效果越好，且合理的結構頻率比能使層間隔震結構上層加速度均方值和下層位移均方值都較小，從而取得良好的隔震效果。

參考文獻：

[1] 張尚榮，譚平，杜永峰，等. 基于響應面法的層間隔震結構地震易損性分析[J]. 振動與沖擊，2014.

[2] Ming H.U，Hongjun.SI，Kangaing LI，et al.Earthquake Reaponse Analysis of a Mid-STORY Ssismic Isolated Building[C].1 3m WCEE，Vancouver Canada，Paper No.1456.2004.

[3] Suekoa Tosh iy uki，TOR II Shingo，TSUNEKI.YasuhiroResponse Control Design of Tokyo Shiodome Sumitomo Mansion with Seismic Isolation Interface at Mid Building.Progress in Steel Building Stryctures.2008.3.

[4] 祁皚，林云騰，鄭國琛.層間隔震結構工作機理研究[J].地震工程與工程振動.2006.