建筑結構設計隔震減震技術探討

徐 凱（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

抗震設計是建筑結構設計的一項重要內容，是從結構的整體特點出發，在剛度、強度、延度、軸壓比等方面加強結構的專項設計，以滿足地震作用下的建筑結構安全性與經濟性要求。《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2016）中明確指出：抗震設防烈度為6 度及以上地區的建筑必須進行抗震設計，最大程度上減輕地震帶來的破壞，避免人員傷亡，降低經濟損失[1]。近年來，隨著經濟社會穩健發展，我國建筑行業發展迅猛，工業廠房、高層住宅、商業綜合體等項目數量增多。現有文獻報道中，多集中在現場施工管理上，關于抗震設計的研究較少。鑒于此，以下結合實踐探討了隔震減震技術在建筑結構設計中的應用，以供參考。

1 建筑抵抗地震的主要方法

依據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223-2008）[2]，根據建筑物的重要性、震中及震后破壞程度、經濟損失情況，將建筑分為甲、乙、丙、丁4 個抗震設防類別。目前，建筑抵抗地震主要有三種方法，分別是抗震、減震和隔震。

1.1 抗震

抗震是讓建筑物能承受地震產生的能量，為了滿足抗震要求，主要采取以下技術措施：一是提高承重構件的強度，包括梁、柱、墻等，達到本地區抗震設防烈度；二是提高構件的韌性，即使變形也不會馬上破壞；三是增強建筑主體結構的穩定性，在地震作用下不會散架。

1.2 減震

減震是在建筑物內部設置可以吸收地震能量的裝置，一般稱之為阻尼器，地震發生時能吸收、耗散部分搖晃能量，顯著減小變形和破壞。相比之下，抗震是依靠建筑自身構件的變形和損傷來吸收地震能量，減震則是依靠阻尼器。在實際應用中，阻尼器對地震力產生阻尼，建筑物上部結構的變形減小，從而保護結構安全穩定。

1.3 隔震

隔震是隔離地震產生的沖擊力，阻止地震力從大地傳遞到建筑物。一般情況下，是在地基與建筑物之間設置柔軟的隔離層，地震發生時隔離層會出現較大變形，阻止高頻地震波向上傳遞。如此一來，建筑上部結構的搖晃周期延長，只會發生緩慢的平動，從而保護主體構件、裝修和內部設施。

2 隔震技術在建筑結構設計中的應用

2.1 懸掛隔震

顧名思義，懸掛隔震是將建筑結構的全部或大部分懸掛起來，地震發生時主體結構可隨著地殼運動而晃動，顯著減小地震對建筑結構造成的沖擊，從而達到隔震效果。懸掛結構在橋梁、工業設備架體中的應用普遍，由于懸桿受力較大，需要使用高強鋼。但是，高強鋼的韌性差，受到豎向地震作用可能斷裂，為此可在吊點設置減震彈簧，配合使用阻尼器。香港匯豐銀行大樓就采用懸掛隔震措施，鋼柱由桁架連接在建筑上，樓層懸掛在桁架上，其中底部懸掛8層，頂部懸掛4層，被稱為“震不倒的建筑”。

2.2 層間隔震

層間隔震是在基礎隔震上發展而來，將隔震層設置在建筑的主體與樓板之間，對結構的地震反應進行控制[3]。根據隔震層的位置不同，主要分為三種類型：一是在建筑結構的一層設置隔震層，減震機理與基礎隔震類似，但要根據外界條件確定是否設置隔震縫；二是在中間層設置隔震層；三是類似于TMD減隔震系統，不同之處是使用橡膠隔振墊代替阻尼器。以北京通惠家園住宅項目為例，2層平臺長1300m、寬250m，平臺上建設17棟住宅樓，難以采用基礎隔震，遂采用層間隔震措施，在2 層平臺上設置隔震層，結果顯示水平地震作用降低至23%，房屋建筑的安全性提高4倍。

2.3 基礎隔震

基礎隔震是在建筑基礎與上部結構之間，設置高度較小、可靠性強的隔震層，地震時控制地面運動向上部結構傳遞，地震產生的能量由隔震層吸收或反饋到地面，以減小上部結構的地震反應，避免內部設施發生破壞。如圖1 所示，隔振器和阻尼器的使用，增加了建筑結構的阻尼，在地震作用下產生加速度的反應時間縮短；而且結構位移多集中在隔震層，上部結構產生的位移量減小，增加了建筑結構整體的彈性。

圖1 基礎隔震技術的應用原理圖

以疊層橡膠隔震支座為例，由多層橡膠、多層鋼板相互交錯疊加而成，其中第一形狀系數、豎向剛度、豎向極限壓應力、豎向極限拉應力反映出支座的豎向隔震性能，第二形狀系數、水平變形、水平剛度、屈服后剛度、等效阻尼比等反映出支座的水平隔震性能。

具體看第一形狀系數S1，用于控制每層橡膠的厚度，圓形截面的計算方法見式（1），矩形截面的計算方法見式（2）：

式中d-橡膠層有效承壓面的直徑，mm；d0-橡膠層中心開孔的直徑，mm；tr1-鋼板間橡膠層的厚度，mm；a-矩形截面的長邊尺寸，mm；b-矩形截面的短邊尺寸，mm。

每一層橡膠層厚度越小，支座豎向剛度越大，規范要求S1≥15。

3 減震技術在建筑結構設計中的應用

3.1 合理選擇建筑場地

建筑設計中要合理選擇建筑場地，盡量避開軟土地基，遠離地震斷裂帶。為此，必須落實地質勘查工作，對建筑周邊的地質、水文等條件進行考察，計算物理力學參數，以提高基礎地質的強度和承載力。

3.2 優化設計建筑結構

通過建筑結構的優化設計實現減震效果，主要是對結構的平面、豎向進行合理布置。一是遵循平面簡單化、規則化的原則，在建筑結構的兩個方向上對稱設計抗側力構件，保證質心、剛心相重合；二是豎向構件沿著高度均勻性、連續性改變，防止側向剛性、承載力突變引起的變形；三是設計中不能采用頭重腳輕的形狀，防止應力集中產生扭曲，會降低建筑結構的剛度。

3.3 結構耗能減震技術

結構耗能減震技術，是在建筑結構的關鍵部位如剪力墻、連接縫、支撐位置、主附構件交界處等設置耗能裝置，從而減小地震能量對建筑結構造成的破壞。按照不同作用機制，耗能減震裝置分為兩大類：一類是速度相關性耗能裝置，典型代表是粘彈性阻尼器；另一類是受力相關性耗能裝置，典型代表有鋼彈塑型、鉛擠壓型、摩擦型等。設置結構耗能減震裝置時，需要滿足以下兩個條件：第一，根據罕遇地震作用下的結構預期位移量，對耗能裝置的參數進行計算分析；第二，耗能裝置一般設置在結構的兩個主軸方向上，位于層間變形較大處，具體數量根據實際情況確定[4]。

以無粘結鋼支撐體系為例，是一種靈活的減震支撐體系，作用在鋼支架與外包裹的鋼管空隙處，或在鋼支架與鋼筋混凝土的縫隙中灌入無粘結材料形成滑移界面，并用高強度螺栓加固框架結構。另外，屈曲約束鋼支撐體系的應用也比較廣泛，如圖2所示。相比于普通鋼支撐，該體系不僅能為建筑結構提供剛度，還可提供等效附加阻尼，具有支撐和阻尼雙重功效，強震發生時能提高建筑結構的強度和延性儲備，減小地震作用帶來的破壞。

圖2 屈曲約束鋼支撐體系構造圖

4 隔震支座的實踐應用分析

4.1 工程概況

某新建小學項目，由兩棟教學樓、值班室、門棚、主席臺等建筑組成。其中，1#教學樓包括地上4 層，長45.3m，寬11.2m，總高度18.5m，建筑面積約2050m2；2#教學樓包括地上5 層、地下1 層，長45.3m，寬18.6m，總高度22.4m，建筑面積約5060m2。抗震設計時，教學樓的抗震類別為乙類，重點設防；其他附屬結構的抗震類別為丙類，標準設防。

4.2 隔震支座的參數

結合本工程實際情況，采用基礎隔震技術，選用合適的隔震支座。水平方向上減震系數為0.39，抗震構造設計可比規范低1度進行設計，水平地震影響系數按照0.08計算。規范要求，隔震橡膠支座的第一、第二形狀系數分別≥15、≥5，橡膠的硬度≥40，12MPa 下的位移量≤20.3cm（罕遇地震下的最大位移量）。在耐久性試驗中，隔震支座的剛度、阻尼變化量應≤基準值的20%，徐變量≤支座內部橡膠總厚度的5%[5]。最終，本工程選用的橡膠隔震支座包括LRB500、LNR600、LRB600、LRB700、LNR700五種規格，其力學性能參數見表1。

表1 隔震支座的主要力學性能參數

4.3 隔震支座的安裝

（1）根據設計方案和規范要求，在隔震支座下部的框架柱上綁扎鋼筋，在建筑結構上預埋螺栓，檢查定位模板的水平度，對隔震支座進行調整，偏差滿足表2 的要求。檢驗合格后，使用細石混凝土澆筑，注意保護螺栓套筒防止發生位移。

表2 隔震支座的安裝精度控制要求

（2）澆筑后的混凝土強度達到設計值的85%，才能安裝隔震支座，緊固連接螺栓進行固定。若綁扎鋼筋與預埋螺栓的位置重合，應及時報告給相關部門協商處理。

（3）位于隔震層上方的框架柱和梁體，在澆筑混凝土時要在隔震支座周圍設置臨時性的橫向支撐，對隔震支座起到約束作用，防止水平位移。

（4）隔震支座安裝完成，對預埋件的外露部分進行防腐處理，涂刷富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+聚乙烯面漆，漆膜的總厚度≥0.15mm。

（5）隔震層上部結構與水平方向固定物之間的防震縫，其寬度應≥1.2mm；罕遇地震作用下支座的最大位移，與豎直方向固定物的隔離寬度應≥20mm[6]。

（6）施工過程中，對隔震支座的位移量進行觀測，使用薄膜覆蓋保護支座，檢查上部結構與周圍固定物的脫開距離，避免影響隔震效果。

4.4 隔震支座的維護

（1）隔震支座在使用過程中，制定完善的檢查維護計劃，定期觀察隔震支座的外觀及變形情況。若存在障礙物影響上部結構位移，應及時將其清除。

（2）看預埋件、螺栓是否連接緊固，看防腐層有無破壞，復測梁、柱的中心軸線，將偏差控制在允許范圍內。

（3）遭受地震作用后，對隔震裝置進行全面檢查，看有無發生結構損壞或性能損害。需對隔震層進行改裝或加固時，要開展專項設計、編制施工方案。

5 結語

綜上所述，隨著建筑工程技術的不斷發展，人們對于建筑的抗震性能提出更高要求，隔震技術和減震技術得到廣泛應用，其中隔震支座就是一種有效方案。在未來，相關企業應該繼續研發新型的隔震減震技術，對現有技術方法進行優化，在保證抗震性能的基礎上，達到降本增效的目標。