淺析建筑減震隔震系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

董志城

基礎(chǔ)隔震體系通過在建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開來，延長建筑物的自振周期，并將結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，建筑物上部結(jié)構(gòu)類似于剛體平動一樣，自身相對位移較小，建筑物結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)，不會造成建筑物產(chǎn)生破壞或倒塌現(xiàn)象[1]。

近年來，通過大量試驗結(jié)果及已建造的隔震結(jié)構(gòu)工程經(jīng)驗，在大地震發(fā)生時，隔震系統(tǒng)一般可使上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)隔震技術(shù)對上部結(jié)構(gòu)的平面、立面、體型等限制較小。首先上部結(jié)構(gòu)的層間位移、加速度已經(jīng)很小，其次可以人為調(diào)整隔震支座的布置使隔震層的剛度中心和上部結(jié)構(gòu)（上部結(jié)構(gòu)作為一個剛體）的質(zhì)心盡量重合，以減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。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(jié)構(gòu)設(shè)計從很多嚴(yán)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(jié)構(gòu)設(shè)計。若設(shè)計合理，地震作用后無需對建筑物進行修復(fù)，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

• 疊層橡膠支座基礎(chǔ)隔震體系

在建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(jié)構(gòu)地震反應(yīng)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(nèi)外應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的隔震裝置。夾層橡膠墊隔震技術(shù)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(chǎn)廠家生產(chǎn)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(fù)位功能，能在多次地震中自動瞬時復(fù)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(jié)果及現(xiàn)場實際情況三者能夠較好的相互吻合。

4、構(gòu)造簡單，安裝方便。夾層橡膠墊具有水平滑動、彈性恢復(fù)力和阻尼等特性，施工時安裝方便簡潔，在工程應(yīng)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(nèi)具有較好的物理和化學(xué)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(biāo)高位置處。

二、基礎(chǔ)滑移隔震體系

滑移隔震的基本原理是：當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受較小的地震和風(fēng)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(jié)構(gòu)滑動，使建筑物保持穩(wěn)定;當(dāng)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(jié)構(gòu)滑移使得結(jié)構(gòu)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(nèi)外學(xué)者根據(jù)試驗研究和實踐結(jié)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(jié)構(gòu)模型分析。分為三類：剛體隔震、單質(zhì)點隔震、多質(zhì)點隔震。

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

4、動力可靠度。眾多學(xué)者利用隨機響應(yīng)分析對滑移隔震結(jié)構(gòu)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(shè)計工作的重中之重。

6、能量分析。結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)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(jié)構(gòu)性能可靠、較好的自動復(fù)位性能等優(yōu)點，但是這種結(jié)構(gòu)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(shù)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(fù)位。各國學(xué)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(jié)構(gòu)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(zhì)，滑移板產(chǎn)生滑動，由于沒有設(shè)備可以提供復(fù)位力，隔震層在地震作用結(jié)束后將保留殘余位移。目前對這種串聯(lián)基礎(chǔ)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(shè)置，由兩者共同承受上部結(jié)構(gòu)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(fù)位的弊端，橡膠墊能夠提供足夠的彈性恢復(fù)力、并且使結(jié)構(gòu)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(jīng)濟效益。在實際工程運用中，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式、安全經(jīng)濟性，采用并聯(lián)組合隔震體系，合理設(shè)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(dān)，鉛芯橡膠隔震支座提供阻尼和恢復(fù)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(jié)構(gòu)的隔震耗能效果更優(yōu)。

參??考??文??獻

[1]日本免震構(gòu)造協(xié)會.圖解隔震結(jié)構(gòu)入門[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[2]尚守平.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]劉文光，周福霖，莊學(xué)真等.大直徑夾層橡膠墊力學(xué)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(xué)性能及隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究[D]?.北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.2003