隔震減震控制技術在建筑結構設計和施工中的應用

吳 彬 胡偉華 闞正武

(1.湖北工業職業技術學院，湖北十堰 442000；2.十堰城控建筑設計有限公司，湖北十堰 442000)

0 引言

我國建設的隔震建筑最早出現于1993年，即汕頭陵海路八層框架結構商住建筑物，并在1994年被稱為“世界建筑隔震技術發展第三個里程碑”。隨著隔震減震控制技術的發展，現如今廣東、云南、四川等多座城市均已建成至少3000棟隔震建筑物，依托預防切割與控制擺動一體化設計理念，在建筑結構設計環節具有顯著優勢，理應擴大技術推廣范圍。本文立足隔震減震控制技術原理，分析隔震減震控制技術在建筑結構設計中的應用。

1 隔震減震控制技術應用原理

建筑結構設計中應用隔震減震控制技術，實則是從層間隔震與消能減震兩個層面削弱地震災害對建筑結構的危害，且建筑結構多通過結構動力特性分析抗震性，參照下列公式以結構自振周期（T）總結建筑物受力特征，其結構自振周期與基底水平剪力變化規律見圖1。

圖1 技術原理圖（結構自振周期-基底水平剪力）

式中:

m——建筑結構質量；

k——剛度系數，且剛度系數越小，自振周期越大。建筑結構設計階段可結合最大自振周期制定設計方案。

在設計人員具體設計建筑結構時，還可以依據動力方程式厘清地震響應抵御思路。包括在建筑結構上安裝隔震支座或耗能支座等設施，便于改善動力響應，調節振動特性，產生隔震減震目的[1]。

式中：

M、C、K——分別指建筑結構質量、阻尼、剛度；

F（t）——建筑結構被施加的外作用力。

建筑結構設計中可利用質量、剛度、阻尼、外作用力控制方式消除地震響應，這樣方能保證建筑結構在地震影響下保持穩定狀態。

2 隔震減震控制技術在建筑結構設計和施工中的應用

2.1 優選隔震減震材料

在建筑結構設計中應用隔震減震控制技術，要求施工人員在設計人員出具的設計方案指引下，充分使用隔震減震材料搭設建筑結構，這樣方能強化建筑結構抗震性。比如施工人員可以選用瀝青填充材料進行隔震層施工，此種帶有隔震減震功效的施工材料，是彰顯隔震減震控制技術實踐價值的重要依據。

除了瀝青材料外，還可應用減隔震隔音泡沫板，作為高密度發泡材料，能夠在建筑結構中實現長達30年的持久性作用，并具有易于施工、裁剪等優勢。常見尺寸為200m×1.52m×3.5mm 和100m×1.55m×5mm，具體可根據建筑結構墻體等實際面積確定材料用量。與傳統砂礫、混凝土基面等設計方式比較，該材料可鋪設于水泥漿下方，用寬度50mm左右的膠紙予以密封，同時嚴控該材料使用厚度，多具有5mm左右厚度。若施工范圍高于6m2，理應依靠混凝土配筋墊層改善材料隔震減震性能。經過對新材料的應用，可強化建筑結構隔震減震控制效果。

2.2 安設隔震減震設施

隔震減震技術在我國建筑結構設計中廣泛應用，尤其自汶川地震以來，應用更為普遍。在2021年全面頒布“建設工程抗震管理條例”后，促使對該技術的關注度日益提高，并在設防類建筑結構設計中進行必要性應用。而在優選相關材料后，還可以安設隔震減震設施。其中最普遍的包括隔震支座和阻尼器。如摩擦擺隔震支座，尤其氣溫在零下25℃的寒冷地帶，通過該設施可保證建筑結構遭受地震侵襲后鮮有出現結構破損現象，且該設施無需承受結構拉力，能在提離后持續表現隔震減震效能。

另外，也可使用鉛芯橡膠支座。如萬科徐涇地鐵項目中，專門結合工況選用該設施，并秉承著大直徑減少安設數量的形式，實現均勻分布，并且安裝后建筑結構的抗傾覆能力得以提升。此外，還可應用碟簧聯合單摩擦擺三維隔震裝置，其原理是疊合碟簧層間使用玻璃纖維降低層間摩擦力。安裝此設施后建成的混凝土結構，其最大豎向加速度可降低50%，鋼結構中最大豎向加速度可降低35%，從而改善結構性能[2]，在市政交通軌道建筑項目中得到應用。

阻尼器可從粘滯性、粘彈性兩種不同類型阻尼器中擇優而選。前者是由阻尼孔、活塞、導桿等結構組成的流體阻尼器。后者是在鋼板層之間摻雜彈性層，建立帶有抗震能量消除功能的阻尼器。經隔震減震設施的有效應用，可提升抗震設計有效性。

2.3 推行框架懸掛設計

建筑物層間結構會因力的傳遞而出現損壞現象。若能在建筑結構設計中采用框架懸掛設計技術，即可體現隔震減震效果。框架懸掛設計指的是針對建筑結構實施懸掛操作，將其在框架懸掛狀態下，降低力的相互作用，避免在地震沖擊下引起框架結構相互擠壓，從某種程度上可以延緩建筑結構損傷速度。通常在鋼結構設計環節適用性較強，可將建筑結構劃分為主框架、子框架兩個部分，以懸掛設計方式維護框架結構相互關系。在發生地震災害時，主框架會在地震波刺激下產生劇烈搖晃情況，在懸掛鏈條的助力下，因框架之間并未直接相鄰搭設，故此可避免子框架被主框架影響而晃動，進而達到維護子框架安全的目的。因此，對建筑結構推行框架懸掛設計，是目前隔震減震控制技術重要的應用途徑，應依據建筑結構設計條件確定適合的隔震減震控制技術應用方向[3]。

3 建筑結構設計中隔震減震控制技術應用優化手段

3.1 仿真設計細化設計方案

建筑結構設計中應用隔震減震控制技術，可以采用仿真設計方法細化設計方案，以便取得滿意的建筑結構設計效果。首先，設計人員使用有限元分析軟件建立建筑結構仿真模型；其次，根據設計方案細節模擬結構分布關系，包括在三維空間中以法線、標高、平行線作為建模依據，并判斷在不同設計方案下建筑結構恢復力（f）；最后，結合上述研究內容，多以阻尼器、隔震支座作為優選隔震減震裝置，并出具完善的建筑結構設計方案。仿真設計方法的應用可以有效分析每一種方案的可行性。參照上述公式（1）統計自振周期，不同建筑結構設計方案自振周期變化情況見表1所示。其仿真模型中恢復力同彈性剛度（k）、屈服應力（σy）的相關性。

表1 不同建筑結構設計方案自振周期變化情況

式中：

d——變形量；

r——屈服后剛度與彈性剛度比值；

e——相關指數（≥1），當e增加時，證明建筑結構屈服比較大。

在具體設計階段可以通過安裝阻尼器或設置隔震支座的形式分別編制設計方案，也可同時使用兩種隔震減震設施。且方案一（隔震支座）中對應的自振周期數據偏大，源于建筑結構剛度降低，利用隔震支座將改善結構剛度。而方案二（軟鋼阻尼器）使用的隔震減震設置，能引起自振周期先大后小，最終提高建筑結構剛度水平。若能進行設施聯用制定方案三（混合雙控結構），產生的自振周期將處于兩者范圍內，能分別汲取各自優勢，提高整體建筑結構的抗震設計等級，而且也能對結構薄弱之處予以有效防護。因此，以仿真設計方法出具設計方案具有一定的適用性。

此外，在對比設計方案優勢時，還可以根據剪力系數（af）、屈服力系數（as）分別評估應用隔震支座與阻尼器后建筑結構受力規律[4]。

式中：

fQmax——隔震支座最大剪力；

sQy——阻尼器阻尼屈服力；

G——質量。

以某8度設防烈度的大型商用建筑工程為例，其底盤處設置多塔隔震結構。具體參照仿真設計模型分析剛度變化規律，并依據屈服力等指標確定隔震支座數量，以鉛芯阻尼支座、隔震支座為主，保證此工程建設的結構符合抗震設計標準。不同建筑結構設計方案自振周期變化情況見表1。

3.2 合理設計技術參數

在建筑結構設計中關于隔震減震控制技術的有效應用，應合理設計技術參數，并保證所搭配的阻尼器等隔震減震設施數量符合工況要求。比如在某工程中使用黏滯阻尼器，其阻尼指數應為0.2，阻尼系數應為500kN/s/m，最大阻尼力應控制在350kN左右，容許位移量設計值應為±30mm。只有合理控制相關參數，才能體現出技術優勢。而且還需結合各地區地震發生頻率，即屬于罕遇地震地帶還是多震地帶。之后還需從層間剪力、位移角等方面衡量設計方案的可行性。即多震地帶內建設建筑物，可妥善安裝黏滯阻尼器，利用該設施增強層間剪力，保證建筑物建成后能多次在地震災害中起到隔震減震效果。至于位移角參數，在比較不同方向建筑結構應用與未用隔震減震控制技術時，顯然應用該技術對應的層間位移角更小，表明使用阻尼器后能應對層間位移風險。尤其在多震地帶建筑物頻繁遭受地震危害，若出現較大的層間位移角，將直接縮短建筑結構使用年限。所以，經過布設相關設施后形成的建筑結構，若能保持較小的層間位移角以及較大層間剪力，即可提高減震率，因此，應加強對隔震減震建筑結構關聯參數的優化設計[5]。

3.3 創新建筑消能裝置

要想增強建筑結構隔震減震性能，應積極創新消能裝置，使建筑結構在消能裝置的輔助下對結構本身產生保護效果。此處提及的消能裝置多指上文提及的阻尼器等。相關人員需要不斷依據工況減震需求研發全新的消能裝置，便于為設計單位提供新的隔震減震設施選擇。

如昆明機場在早期建設期間，應用新型橡膠隔震支座，以安裝更換方式，聯合監測系統密切關注隔震支座安裝后結構隔震層性能變化情況，防止因缺少有效監測，造成建筑結構中應用的隔震減震設施難以發揮顯著作用。目前，研發的隔震橡膠支座新品已逐漸得到了大范圍應用。此種隔震支座是使用橡膠、鋼板材料組合而成，外部存在保護膠，相比傳統橡膠隔震支座，新品自振周期較大且上部結構對地震的反應力僅為抗震結構的25%，可充分應對地震危害。同時，還有Ⅱ型隔震橡膠支座，如LRB400橡膠支座，總高度165m，有效直徑400mm，屈服前后剛度為8.79kN/mm、0.68kN/mm，屈服力為27kN。經過新消能裝置的創新設計，有望提升設計水準。

4 結束語

綜上所述，隔震減震控制技術在建筑結構設計中屬于重要的抗震設計技術，此技術的有效應用，有利于改善建筑結構抗震性與穩定性。眾多實踐證明，從優選隔震減震材料、安設隔震減震設施、框架懸掛設計等方面著手，并采用仿真設計、技術參數設計、消能裝置創新設計等優化技術，保證在良好的隔震減震設計條件下，成功建設具有強效隔震減震性能的優質建筑物。