談隔震支座在結構抗震中的應用

張 嫻

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

0 引言

在我國的唐山地震以及汶川地震之后，建筑行業的抗震隔震設計發展非常迅速。在地震中，采用了隔震設計的廬山人民醫院綜合樓在強烈地震中的表現良好，使得設計人員對于隔震在結構設計中的重要性有了新的認識，在地震的8度區，采用減震隔震技術顯得尤為重要。一些重要的建筑比如學校和醫院等，采用隔震技術能夠保證樓梯的地震加速度峰值不超過150 cm/s2，從而保證大部分設備在地震中仍然能夠正常運行，對人民的生命與財產有著重要意義。本文通過某小學的教學樓隔震設計與分析，對于隔震支座在結構抗震中的應用提供了新的思路。

1 隔震設計思路

隔震一般是指在建筑結構中放置一個隔震層，用來隔斷地震力與上部結構之間的聯系。一般隔震層的水平剛度要遠遠小于其余的樓層水平剛度。在設計中，一般都將隔震層放在基礎上面形成基礎隔震，這也是當前絕大多數建筑采用的隔震形式。采用隔震支座能夠延長整個主體結構的自振周期，降低地震作用對上部結構的影響，從而達到預期的隔震要求。

在多層結構的隔震設計中，可以先制定一個隔震的目標，一般是將地震的作用降低一度或者降低一度半，然后根據需要降度的目標建立模型，一個模型是可以精確描述力學參數的隔震模型，另一個模型是去掉隔震層以及隔震層以下的，以框架柱的支座建模成鉸支座的非隔震模型進行分析。根據抗震設計規范的相關規定，層間位移角在設計時可以取值1/450～1/250之間，如果希望在地震作用下，上部結構仍然完好，則可以選擇較小的層間位移角計算值。

2 實際工程案例

2.1 工程設計概況

某學校的教學樓，設計高度為15.1 m，為地上3層混凝土框架結構。設計使用年限為50年，設防烈度為8度，基本地震加速度為0.2g，場地類別為Ⅱ類，抗震設防類別為乙類。在設計中如果采用傳統的結構設計，那么抗震構造措施需要提高一度進行考慮，則按照9度進行抗震構造措施設計，這樣抗側力構件的截面尺寸就會比較大，具體表現為框架柱的設計尺寸可能為1 m×1 m，這樣占據了較大的使用空間。因此在設計中采用了基礎隔震技術來降低地震對主體結構的作用，同時降低設計中上部結構的構造措施要求，提高建筑的上部結構抗震能力，設計平面圖見圖1。

2.2 隔震設計分析

根據結構的設計平面圖可以看出，該建筑物的高寬比較小，所以層間剪力影響著水平減震系數，想要降低一度考慮上部結構的抗震能力，需要在隔震支座的設計中，使得水平抗震系數小于0.4。采用兩條人工模擬加速時程曲線與強震記錄曲線對該建筑物進行支座設計，不斷計算配置隔震支座后的水平抗震系數計算值，直到該數據小于0.4，根據計算結果對支座型號及數量進行選擇，最終在每一個框架柱下布置支座，各支座型號根據軸力而定，共布置51個支座。

2.3 隔震效果分析

根據計算與分析可以得到，在各種8度地震作用下的該小學的主體結構水平地震作用值都小于7度作用下非隔震模型所受的地震作用值，所以在這種條件下，降低一度來進行抗震構造措施設計是合理和安全的，隔震后的地震水平加速度降低，水平自振周期延長，使得建筑結構抗震能力更強，更加安全。

3 隔震支座應用的經濟性與社會效益

根據隔震支座的應用綜合分析，可以得知，使用隔震支座不僅僅使得結構更加安全，而且在經濟性以及對社會效益的貢獻上，隔震支座有著一定的優勢。

3.1 隔震支座經濟性

由于隔震支座降低了上部結構承受的水平地震力，因此在設計中，所采用的結構柱的尺寸可以減小，配筋可以降低，從而節約建設的原料，實現經濟效益的提高。尤其是在8度區以上的地震作用較強的地區，往往工程造價的節約可以達到整個工程造價的10%左右，即使是在抗震強度較低的7度區，材料節約的成本也可以降低5%左右(見表1)。

表1 隔震與非隔震結構的材料用量比較

結合當前市場的價格，混凝土的造價約為400元/m3，鋼筋的造價約為5 000元/t，隔震支座的造價大約為10 000元/套，可以得到工程造價節約大約為20萬元，這表明采用抗震隔震設計之后工程造價將會下降，這只是針對3層混凝土框架結構而言，主體結構用量小，樓層低，面積小，所以經濟效益不夠明顯，如果是針對高層設計而言，那么節約的成本會更大。

3.2 隔震支座的社會效益

由于抗震支座能夠顯著地提高建筑結構的抗震能力，因此具有很強的社會經濟效益，主要表現在地震中，結構的受損很小，能夠節約大量的資源與勞力，在恢復結構功能的造價中，有隔震設計的建筑恢復的造價更低，而且主要建筑結構的功能基本不受影響，抵御地震的能力更強。

4 加強隔震設計在結構設計中的應用

作為建筑隔震設計應用的主體，設計單位應當更好地推廣隔震設計在建筑結構設計中的應用。傳統的設計單位的作用，設計單位僅僅是參與圖紙會審以及一些設計變更等程序，參與度較小。但是在隔震設計推廣的今天，設計單位應當改變在工程施工中的作用。很多施工單位對于隔震設計的理念以及一些核心技術并不了解，因此需要設計單位加強減震隔震技術在結構中應用的質量保證作用。具體體現在圖審之前做好隔震技術的專項交底，強調隔震技術對于建筑結構的重要性，加強隔震技術的質量控制。在第三方監管中，設計單位也應當對產品的力學性能進行監管，防止不合格的抗震產品流入市場。最后在隔震產品安裝之前，也需要設計單位參與驗收，在安裝后，也需要設計單位的人員確認其功能后才能夠進行隱蔽，保證隔震層的質量滿足設計的相關要求。

5 結語

當前，我國建筑在地震后大量應用了隔震設計，本文也通過具體案例對隔震支座在建筑結構設計上的使用進行了描述，并對隔震支座的經濟性與經濟效益進行了分析。結果表明，采用隔震支座能夠延長主體結構的自振周期，減小上部結構受到的地震作用，具有經濟效益，能夠節約建材。為了能夠保障隔震技術的應用與發展，在建筑結構的設計與施工中，應當充分發揮設計單位的作用，保證隔震技術的應用水平。