隔震建筑的抗震性能及應用前景分析

毛俊卿 劉 鴻

青島愛博瑞隔振技術有限公司

隔震建筑的抗震性能及應用前景分析

毛俊卿 劉 鴻

青島愛博瑞隔振技術有限公司

本文對隔震理論發(fā)展進行了闡述，對隔震結構與非隔震結構進行了有限元分析，得出了隔震結構的地震反應特點，并闡述了其局限性和未來應用前景。

抗震；隔震；橡膠支座；有限元

1 建筑抗震設計方法發(fā)展簡況

地震給人類的生產(chǎn)生活帶來巨大的災難，如何減輕地震災害是世界各國長期以來的重要課題。20世紀之前的建筑幾乎沒有進行專門的抗震設計，經(jīng)歷多次大地震之后，人們才開始意識到建筑抗震的重要性，抗震設計理論與實踐才開始得以發(fā)展。

早期的抗震思路著重于抵抗慣性力，使建筑物不致因強度不足而損壞，這種方法設計的建筑物，在地震中大部分出現(xiàn)不同程度的損壞、倒塌。人們重新意識到，抗震設計不是單純的抵抗地震力就可以解決問題了。抗震理論的第二階段著重于減小建筑物的地震反應并增強結構屈服后的承載及變形能力，即提高建筑的韌性，如我國抗震規(guī)范中提供的三水準、兩階段的設計方法。經(jīng)歷次地震檢驗，仍有大量的房屋在地震中損毀嚴重、倒塌，造成巨大損失。

08年汶川大地震的發(fā)生造成了生命財產(chǎn)的巨大損失，使國內(nèi)學者和設計界開始重新審視既有抗震設計方法的缺陷，探索并實踐新的抗震設計方法。抗震設計方法進入第三階段---隔震與消能減震設計。建筑隔震概念最早于1891由日本學者河合浩藏提出，其后陸續(xù)有學者提出其他的隔震模型。早期隔震概念雖然清晰，但是限于當時的技術條件，并未得到很好的發(fā)展和實踐。隨著地震工程理論的逐步發(fā)展和大量實際地震數(shù)據(jù)的積累，人們開始著手研究并實踐隔震設計理論。

目前，較為成熟的建筑隔震技術包括：疊層橡膠支座隔震、摩擦擺隔震、混凝土短柱支座隔震等，其中疊層橡膠支座隔震技術應用最為普遍。1974年世界首棟隔震建筑在新西蘭建成;1983年日本第一座疊層橡膠支座隔震建筑---東京八千代臺住宅建成，我國1993年在汕頭建成首幢橡膠墊隔震建筑。

2 隔震建筑與非隔震建筑的地震反應特點

為了探究隔震建筑在地震作用下的反應特點，使用SAP2000計算程序建立了兩個有限元結構模型（模型A為隔震方案，模型B為普通方案），采用相同的分析方法進行計算并對結果進行分析。

2.1 結構模型概況

模型A為隔震方案，模型B為普通方案，兩個模型的結構和構件尺寸、配筋情況均相同，共兩層，層高均為3m，X向3跨，Y向2跨，柱跨均為6mX6m，框架柱尺寸為450mmX450mm，縱筋8根18mm，箍筋8@100/200，，梁尺寸為300mmX600mm，上下縱筋配筋分別為4根18 mm和3根18 mm，箍筋8@100/200，均為HRB400。采用時程分析方法進行分析，地震波選用CORRALIT波，X向修正后加速度峰值為247gal（略大于抗震規(guī)范中8度設防地表加速度）。(如圖所示)

模型A隔震支座采用Rubber Isolator連接單元進行模擬，水平兩個方向剛度均為1000KN/m，采用直接積分法進行計算。計算完成后，選擇頂部節(jié)點生成加速度時程曲線和隔震支座節(jié)點生成位移時程曲線，并查看基底剪力。結構反應數(shù)據(jù)如下：結構頂點最大加速度反應為37.1gal，與地面加速度峰值比值為0.15，支座水平位移最大值為10.2cm，基底X向剪力最大值為138KN。

模型B為非隔震設計。為便于對比分析，同模型A一樣采用非線性時程分析法進行計算。計算完成后，選擇頂部節(jié)點生成加速度時程曲線和隔震支座節(jié)點生成位移時程曲線，并查看基底剪力。結構反應數(shù)據(jù)如下：結構頂點最大加速度反應為257.9gal，與地面加速度峰值比值為1.044。查看框架變形圖：顯示在0.85s時，基底X向剪力最大值為577KN，此時31號梁中間支座已經(jīng)出現(xiàn)塑性鉸，到0.85s時，另一端也出現(xiàn)塑性鉸。兩個模型的結構反應數(shù)據(jù)詳下表：

表A地震作用下結構反應峰值

由表A可知，在地震作用下，隔震結構的加速度及絕對慣性力較非隔震結構大幅降低，非隔震結構的基底剪力為隔震結構的4.232倍，這也可以解釋為何隔震結構在強震作用下沒有出現(xiàn)任何損傷。既有案例表明，某些烈度較小的場地內(nèi)，隔震建筑物內(nèi)的居民甚至感受不到地震發(fā)生。值得注意的是，隔震結構中其橡膠支座的水平位移非常大（本例達到10.2cm），對支座水平剪切變形性能要求非常高。

3 隔震建筑的局限性及應用前景

盡管隔震建筑在抗震性能方面有較大優(yōu)勢，但在國內(nèi)并未得到很好的推廣應用，其主要問題在于以下兩方面：一是需要專門設置一層隔震層，既增加了造價，又影響建筑方案效果。二是隔震支座在高層建筑及低烈度區(qū)中其應用效果不明顯，而目前住宅項目又以高層板式住宅居多。因此，目前隔震建筑多應用于高烈度區(qū)的學校、醫(yī)院等公建，在大規(guī)模的住宅項目中難以推廣應用。

目前我國建筑業(yè)正在大力推行產(chǎn)業(yè)化模式，鑒于裝配式結構（尤其是混凝土結構）抗震性能一般來說較差，且目前國內(nèi)的建筑產(chǎn)業(yè)技術水平較發(fā)達國家仍有一定差距，筆者認為可以通過設置隔震支座來改善這類結構的抗震性能，這對于減輕未來可能發(fā)生地震災害是有益的。