建筑隔震概述

文/石重貴 北京筑都方圓建筑設計有限公司 北京 100035

1、前言

我國是地震高發(fā)的國家。20世紀以來，平均三年發(fā)生兩次7級以上地震[1]。地震災害造成巨大經(jīng)濟破壞和人員財產(chǎn)損失。我國目前的抗震設防目標為“多遇地震不壞、設防地震可修、罕遇地震不倒”[2]。結合我國的國情，此設防抗震標準既能合理使用建設投資，又能達到抗震安全的要求。然而，這種通過建筑物本身結構構件強度和塑性變形能力來抵抗地震作用和吸收地震能量的傳統(tǒng)“抗震”結構設計，雖然能在罕遇地震中不至于倒塌，但建筑物內(nèi)部設備、設施已破壞嚴重，正常使用功能得不到保證。因此，對建筑內(nèi)部設備、設施有更高保護要求的建筑，傳統(tǒng)抗震設計方法有時難以滿足要求。基于對建筑物抗震性能的更高要求，隔震結構體系逐漸發(fā)展起來。

2、隔震建筑技術原理

傳統(tǒng)抗震建筑基礎固結于地面。地震時，地震波通過地基基礎傳到建筑物。建筑物受地震作用產(chǎn)生震動，從而引起結構構件的破壞。如果在建筑與地基基礎之間設置一個特殊的隔震層，阻隔地震波向上傳遞，就可以有效降低建筑的晃動。隔震建筑的技術出發(fā)點就源于此。結構隔震技術通過在建筑物上部結構與基礎之間或者在上部結構與下部結構之間設置柔性隔震層，通過隔震層的變形和耗能，阻隔地震動輸入給上部結構的能量，從而減少上部結構振動。

抗震建筑在地震時會出現(xiàn)晃動。傳統(tǒng)抗震建筑依靠建筑物本身的結構構件的強度和塑性變形能力，抵抗地震作用和吸收地震能量。隔震建筑在地震時也會晃動，但由于隔震層的剛度較上部建筑的樓層剛度小的多，隔震建筑的變形就集中在了隔震層，地震輸入的能量也集中在隔震層，上部結構的變形就非常小。

隔震技術主要策略立足一個“隔”，體現(xiàn)了“以柔克剛”的設計理念。采用隔震技術，上部結構的地震作用一般可減少40%～80%[3]。隔震層延長了結構的自振周期，同時隔震層中增加適當?shù)淖枘崾菇Y構的加速度反應大大減弱。隔震層在地震作用下發(fā)生較大變形，阻隔地震能量向上部結構傳遞并耗散地震能量，使得上部結構的相對變形變得非常小，大大降低了上部結構所受的地震作用，提高建筑物可靠性和安全性。按照隔震措施設計的建筑物，上部結構構件和建筑內(nèi)部設備、設施不會發(fā)生明顯破壞或喪失正常使用功能，建筑物內(nèi)部的人員也不會感受到強烈的搖晃。強震發(fā)生后，建筑物無須修理或僅需一般修理。

3、建筑隔震系統(tǒng)組成

隔震建筑與傳統(tǒng)抗震建筑主要區(qū)別在于上部結構與下部結構之間增加了個隔震層。隔震層包括隔震支座、阻尼裝置和隔震溝。隔震支座支撐上部建筑物重量，保證建筑振動時的水平變形，并具備振動后的復位能力。阻尼裝置可以吸收地震能量，并在地震后幫助隔震支座恢復原先的位置。建筑物與周圍要設置一定寬度的隔震溝，以允許建筑物振動時不與周圍物體碰撞。

目前在隔震建筑中使用的隔震支座主要有：疊層橡膠隔震支座、摩擦擺隔震支座、滾動支座、碟形彈簧隔震支座、復合隔震支座。其中，疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)是目前國際上隔震體統(tǒng)的主流。疊層橡膠隔震支座由薄層橡膠和夾層薄鋼板（內(nèi)部鋼板）交互疊置而成。疊層橡膠支座受壓時，橡膠會像外側變形，由于受到薄鋼板的約束，以及橡膠材料的非壓縮性，橡膠層中心會形成三向受壓狀態(tài)，受壓豎向變形量很小。疊層橡膠支座剪切變形時，鋼板不會約束剪切變形，橡膠片可以發(fā)揮自身柔軟的水平特性，從而通過自身較大的水平變形隔斷地震作用。疊層橡膠隔震支座可以分為天然隔震橡膠支座（LNR）、鉛芯隔震橡膠支座（LRB）、高阻尼隔震橡膠支座（HDR）三類。下圖3-1為鉛芯隔震橡膠支座示意圖。

4、隔震建筑經(jīng)濟性

一個工程造價大體可以分為兩部分，一是直接建設費用，二是使用期間維護費和各種損失失效費。

隔震建筑與非隔震建筑經(jīng)濟對比，在直接建設費用上可以分為減少部分和增加部分。減少部分主要是由于上部結構地震效應減少，結構構件截面和配筋都相應減少。而且設防烈度越高，直接建設費用減少的越多。增加部分主要是增加了隔震層，安裝的隔震裝置和阻尼器的費用，以及隔震層梁板柱需要加強而產(chǎn)生的費用。對減少部分和增加部分的直接費用的綜合對比，對于高設防烈度的框架結構或者是框架剪力墻結構，采用隔震技術后，可降低直接費用約1%～5%[4]。

在地震造成的結構損失費用方面，由于隔震建筑上部變形較小，承重結構和非承重結構以及設備、設施等受到的損壞程度較小，地震損失和地震后的維修費用大大減少。在這方面，隔震后可減少損失的費用約為8%～35%[4]。因此，采用隔震技術大大降低了直接損失，并且也降低了因地震造成的建筑設備設施破壞，企業(yè)被迫停工而產(chǎn)生的間接損失。所以，從總的經(jīng)濟效益看，相對于傳統(tǒng)抗震建筑，隔震建筑具有不可比擬的優(yōu)勢。