建筑結構設計中隔震減震措施的實現及應用

王丁丁

中國中元國際工程有限公司 北京 100089

隨著隔震減震技術研究的深入以及實際工程積攢了大量的寶貴經驗，建筑結構設計中隔震減震方案更加合理、更加先進，對保障人民的財產安全做出了重要的貢獻。

1 建筑結構設計中采用隔震減震措施的意義

隨著人民對建筑安全的重視程度與生活水平的提高，為了防止建筑遭遇地震后中斷重要的使用功能，避免人員傷亡及次生災害，減少經濟損失和社會，2021年國務院頒布了《建設工程抗震管理條例》，從規章制度層面鼓勵推廣隔震減震技術。《條例》中第十六條要求：位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的新建學校、醫院、兒童福利機構、幼兒園等建筑應當按照國家有關規定采用隔震減震等技術，保證發生本區域設防地震時能夠滿足正常使用要求。并且國家鼓勵在除前款規定以外的建設工程中采用隔震減震等技術，提高抗震性能[1]。

在建筑結構設計中，采用隔震減震技術能夠有效降低地震作用對建筑物的破壞，通過這種方式可以充分提升建筑物的抗震性能，大幅度提升建筑物的安全性，使人身安全和財產得到保障，因此越來越多的建筑在結構設計環節使用隔震減震技術。隔震減震措施在當今時代背景下已經成為建筑結構設計的重要手段。

2 建筑結構設計中隔震減震的實現方式

2.1 隔震設計方式

隔震設計指在房屋基礎、底部或下部結構與上部結構之間設置橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成具有整體復位功能的隔震層，以延長整個結構體系的自振周期，減少輸入上部結構的水平地震作用，達到預期防震要求。

隔震結構中的隔震支座分為以下三類：第一類是疊層橡膠隔震支座；第二類是摩擦擺隔震支座；第三類是彈性滑板隔震支座；其中疊層橡膠隔震支座又有以下3種類型：即天然橡膠隔震支座(LNR)、高阻尼橡膠隔震支座（HDR）和鉛芯橡膠隔震支座（LRB)。

隔震設計時較為常見的隔震支座是天然橡膠隔震支座和鉛芯橡膠隔震支座。天然橡膠支座由天然橡膠片或氯丁二烯橡膠片與鋼板經高溫硫化黏結而成，支座受壓時，橡膠會向外側變形，但由于受到內部鋼板的約束，以及考慮到橡膠材料的非壓縮性，橡膠層中心會形成三向受壓狀態，其壓縮時的豎向變形量很小，而橡膠支座剪切變形時，鋼板不會約束剪切變形，橡膠層可以發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水平地震作用，同時還能抑制結構的高階反應。天然橡膠支座不提供阻尼，罕遇地震時隔震支座位移較大，實際工程中須與其它隔震支座或阻尼器聯合使用。

由于天然橡膠隔震支座的鋼板可以約束橡膠的豎向變形但對其水平變形沒有影響，在水平風荷載比較大的情況下有可能就會發生比較大的水平位移，影響建筑物的正常使用[2]。于是在天然橡膠支座中間開孔壓入鉛芯構成鉛芯橡膠隔震支座。由于鉛是一種具有良好塑性變形能力和能量吸收能力的金屬，鉛芯橡膠隔震支座不僅有較高的阻尼比，而且水平性能相對穩定，還有一定的初始剛度，可以提高建筑的抗風能力，因此鉛芯橡膠隔震支座兼有天然橡膠隔震支座和阻尼器的作用。

設計中常見的隔震方式主要有以下幾類：

一是基礎隔震。基礎隔震指的是將隔震層設置在基礎和上部結構之間，根據隔震層與室外標高關系以及是否有使用功能，隔震層可設置在地面以上也可設置在地面以下。

二是地下室頂板隔震。隔震層設置在地下室頂板和上部結構之間，隔震層層高由隔震層是否具有使用功能來確定。隔震層作為停車庫、設備用房等有使用功能時，應根據消防要求對隔震支座進行防火處理。對于地下室頂板隔震，通常可分為頂板以上單塔和多塔隔震。

三是層間隔震。層間隔震又稱為中間層隔震，指隔震層設置在建筑地上結構的某相鄰層之間，比如可設置在裙房的上一層。此時隔震層通常作為檢修層，同樣需滿足隔震層梁底到下層樓面凈高宜不小于1.2m。

四是錯層隔震。錯層隔震是指隔震層不在同一樓層的情況。例如，建筑中核心筒處的電梯井道需自上而下貫通，為確保電梯的正常使用，無法設置隔震縫斷開，這時候就需要將電梯核心筒的隔震位置設置在基礎，而核心筒之外的其它豎向構件可在地下室頂板或其它位置設置隔震層，形成了錯層隔震。

隔震設計時需注意：設計中需要指定隔震層的上、下支墩為關鍵構件，與上支墩相連的隔震層的主梁可定義為重要水平構件。同時《建筑隔震設計標準》中要求，在進行隔震層下支墩的承載力驗算時，需要考慮由隔震層水平變形產生的附加彎矩；錯層隔震時，相鄰隔震層的層間位移角不應大于1/1000；隔震層的質量中心和剛度中心宜重合，在設防地震作用下的偏心率不宜大于3%。隔震層以上的上部結構與周邊任何固定物均應有隔離空隙。水平隔離空隙為30mm，豎向隔離縫（隔震溝）為1.2倍罕遇地震時隔震支座最大水平位移。

隔震層無法隔離豎向地震作用的影響，因此《抗規》有規定，確定隔震層以上結構的抗震措施時，與抵抗豎向地震作用有關的抗震構造措施不應降低，對于鋼筋混凝土結構是指墻、柱軸壓比要求。

2.2 減震設計方式

民用建筑中的減震設計一般采用消能減震方式。消能減震設計指在房屋結構中設置消能器，通過消能器的相對變形和相對速度提供附加阻尼比，以消耗輸入結構的地震能量，達到預期防震減震要求。

減震結構中的消能器分為以下兩類：第一類是速度相關型消能器，第二類是位移相關型消能器。

速度相關型消能器指黏滯消能器和黏彈性消能器等；黏滯消能器只增加結構的阻尼比，不提供剛度（剛度很小），因此對結構周期沒有影響，通過增加結構的阻尼比實現減小結構基底剪力和層間位移的效果，有效減少結構反應（位移、速度、加速度）。粘滯阻尼器的布置型式有墻式、斜撐式、K字型等多種型式。

位移相關型消能器指金屬屈服消能器和摩擦消能器等，包括屈曲約束支撐（BRB）、軟鋼剪切消能器、摩擦型消能器、鉛消能器等。位移相關型消能器可以有效的增加結構阻尼比，同時增加結構剛度，因此結構設置位移相關型消能器后，結構的周期變短，阻尼比增加。此類消能器對于減小結構的總基底剪力效果有時侯并不顯著，但對于控制結構位移效果顯著。

在消能減震結構的設計中，需要預先指定消能減震結構所需達到的位移減震目標，進而求出所需的附加阻尼比。消能減震結構之所以能提高建筑抗震性能，阻尼器起了關鍵作用。如何比較準確的評估阻尼器的減震作用，這是減震結構設計的首要問題。在減震結構設計中，引入附加阻尼比，可以在新的減震設計和傳統抗震設計之間建立一座相互連通的橋梁。這樣，就能有效地利用熟知的抗震設計方法來解決減震設計中的新問題。減震結構進行強度設計時，可以根據附加阻尼比來考慮阻尼器的作用，從而確定減震后的地震作用減震效果通過減震前后的結構位移、結構地震力來體現[3]。

阻尼器在樓層平面內的布置宜遵循“均勻、分散、對稱”的原則。阻尼器豎向布置需通過以下計算過程確定。先對非減震結構進行計算分析，確定層間位移角最大樓層，將阻尼器安裝在此樓層處，安裝數量根據具體情況而定，然后再對安裝了阻尼器的減震結構進行分析，將阻尼器安裝到此時減震結構的層間位移角最大樓層，如此循環直到將所有阻尼器安裝完畢。而在安裝過程中，需要注意的是某一層的阻尼器數量不能太多，當某一層所需的阻尼器過多時，可以將其安裝到下面幾層中層間位移較大的樓層。計算結果證明阻尼器對其上部臨近幾層的減震效果要好于下部幾層，通過這種方法確定的阻尼器安裝位置能起到較好的減震效果，同時阻尼器基本保持沿樓層連續布置。

由于消能減震的設計方式適用性比較強，因此在很多建筑工程項目中都能有效發揮自身價值，而且在對已建成的建筑工程項目進行加固改造時也可采用，賦予其消能減震的性能。同時消能減震措施不僅可以應用于鋼筋混凝土結構，也可以在鋼結構中發揮良好的作用，提升鋼結構的抗震性能。

3 建筑結構設計中采用隔震減震技術的注意事項

3.1 選擇合理的建筑結構體型

設計人員進行隔震減震設計工作時首先需要做好建筑體型設計工作，避免成為超限項目。通常情況下，建筑設計師在進行建筑物的體型設計時，僅會注重功能使用需求以及建筑立面的美感，而忽視了結構的體型是否規則，是否具有良好的抗震性能。而從結構設計角度來看，如果建筑物具有不規則的體型，比如平面凹凸不規則，樓板開大洞口導致樓板不連續，豎向構件收進或懸挑，豎向構件上下不連續貫通等，遇到地震時就很容易出現損毀。反之，如設計師將建筑物的體型設計成規則的結構，盡量避免出現上述的不規則情況，遇到地震時受到損毀的概率就會降低。隔震結構宜控制結構高寬比小于4，對于高寬比較大的結構小震下基礎不應出現拉應力，并且需進行整體傾覆驗算，防止支座壓屈。

3.2 準確把握隔震減震設計的要求和特點

確定結構的隔震減震方案時，可根據建筑的抗震設防分類、抗震設防烈度、場地條件、使用功能及建筑方案特點，從安全和經濟兩方面進行綜合分析對比。

例如，某地區的人民醫院病房樓項目建筑高度50m，抗震設防烈度為8度，地震基本加速度值為0.2g、建筑抗震設防類別為重點設防類，結構安全等級為一級，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.40s，結構高寬比為2.0，結構形式采用鋼筋混凝土框架—剪力墻，抗震等級為剪力墻一級、框架二級。

本工程為醫院屬于重點設防類，《建筑與市政工程抗震通用規范》第2.3.2條規定：重點設防類應按本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施，故應按9度確定結構抗震等級。同時《建筑隔震設計標準》第6.1.3條規定：隔震結構底部剪力比不大于0.5時，上部結構可按本地區設防烈度降低1度確定抗震措施。據此隔震結構控制底部剪力比小于0.5之后，可按8度確定結構抗震等級，減震結構同樣有類似規定。

初步方案為采用隔震結構，在地下室頂板設置隔震層。因隔震層增加了一個結構層的建設成本；同時導致基礎底標高降低，增加了基坑開挖費用和支護費用；并且隔震層需占用部分建筑面積指標，但因層高較低，無實際使用功能。甲方要求對本項目分別按隔震結構和減震結構設計，然后對比分析計算結果，選取最優結構方案。

經過建模計算，在規范技術方面，本項目病房樓采用減震方案時，最大樓面水平加速度均超過《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術導則》中規定的限值，不能滿足此技術導則的要求；建設造價成本方面，隔震結構雖因設置隔震層需增加土方開挖費用及隔震支座費用，但減震結構為滿足規范規定的變形及承載力要求，需將墻、柱、梁的構件截面增大較多且配筋較大，導致減震結構的混凝土及鋼筋用量都高于隔震結構，并且減震結構需設置型鋼子框架增加了型鋼費用以及阻尼器費用。建筑適用性方面，減震結構相較隔震結構的墻、柱構件截面增大較多，對建筑使用面積、使用功能及樓層凈高同樣有較大影響。

經以上幾方面的對比，結合本項目的具體情況，最終確定采用隔震設計方案。

設計人員在進行隔震減震設計時首先需要準確把握隔震減震設計的相關政策和規范要求，其次要根據項目的具體情況綜合對比分析，這樣才能設計出安全、合理、經濟的隔震減震建筑。

3.3 隔震建筑中設備專業需采取的措施

隔震建筑不僅需從結構設計角度合理布置隔震支座，滿足結構位移、偏心率等要求，同時應與設備專業緊密配合，采取合理的構造措施保證隔震建筑在地震中確保設備管線等不被破壞。

在2022年瀘定6.8級地震中，甘孜州燕子溝鎮某學校的行政樓，雖然采用了減隔震組合技術，但由于設備專業在設計時未充分考慮隔震措施，在地震時隔震的主樓產生了較大的水平位移，導致與非隔震的配樓之間連接的大量設備管線被拉斷、水管破裂，影響了震后的正常使用功能。

在確保主體結構在地震時應安全的同時，需保證震后建筑正常使用功能不受影響，對穿越隔震層的管線應采用相應處理措施：電線在隔震層處留足多余的長度。上下水管、消防管穿越隔震層處應設置柔性段，采用立管的方式，應能保證發生規定的位移。當管道穿越隔震支座標高時，應保證管道及附件與結構的最小距離不小于300mm，當管道有法蘭、閥件、支吊架等附屬物時，間距按附屬物外邊緣計算。供回水管道、防排煙風管穿越隔震層時，采用柔性連接或其他有效措施適應隔震層在罕遇地震作用下對水平位移的要求。當利用結構鋼筋作避雷線時，應在隔震支座的上下連接板之間用銅絲聯接，當專設避雷線時，應在隔震層處留足多余的長度。燃氣管道不宜穿越隔震層，當必須穿過時，入口段穿墻前應根據罕遇地震作用下對水平位移的大小，設置金屬波紋管連接，并設置手動及緊急自動切斷閥。防排煙風管穿越隔震層時，應根據罕遇地震作用下對水平位移的要求，采用耐火柔性連接并掛在隔震層梁上，且要求距離墻和柱的距離不小于450mm。

3.4 隔震減震設備的安裝、維護、檢修

應制定和執行對隔震減震設備進行檢查和維護的計劃。設備應在室內干燥環境下使用，在正常使用情況下可進行定期檢查，在遭遇地 震、強風、火災等災害后應進行應急檢查。隔震減震部件的改裝、修理、更換或加固，應在有經驗的工程技術人員指導下進行。采用的隔震支座產品和阻尼裝置應通過型式檢驗和出廠檢驗。型式檢驗除滿足產品的相關規定外，使用產品的型式檢驗報告有效期不得超過6年。出廠檢驗報告只對采用該產品的項目有效，不得重復使用。

不得有任何固定物對上部結構的水平移動形成阻擋。所有豎向隔離空隙形成的水平縫均充填柔性粘結膠料，以防鼠蟲等爬入或砂塵、風雨飄入。

4 結語

隨著時代的發展，各種新的隔震減震理念和設計方法不斷應用于建設工程中，不僅滿足了建筑物防震減震的要求，而且在很大程度上促進了建筑行業的發展。結構設計師應努力掌握隔震減震技術的理論知識、設計要點和注意事項，做好隔震減震設計工作，提高建筑物的抗震性能，確保建筑物的安全性。