建筑物隔震減震的發(fā)展與應用

尹利茹

（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司 重慶市 400016）

建筑物隔震減震的發(fā)展與應用

尹利茹

（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司 重慶市 400016）

層間隔震結構是隔震減震技術的新發(fā)展，它將隔震層設置在建筑物某層柱子和樓板之間進行結構的地震反應控制。本文將基礎隔震結構與層間隔震結構進行比較分析，就層間隔震結構的減震機理、適用范圍、優(yōu)點以及其在實際工程中的應用情況進行了綜述。最后指出層間隔震結構需要進一步研究的問題?，F(xiàn)有的研究成果和工程應用情況表明，層間隔震結構具有明確的減震效果，施工方便，是一種具有發(fā)展前途的減震體系。

層間隔震；基礎隔震；隔震層；橡膠支座

1 引言

強烈地震給世界各國人民帶來了巨大的災害。地震中建筑物的大量破壞和倒塌，是導致地震災害的最為直接的一個原因。傳統(tǒng)的抗震結構體系是通過增強結構本身的性能來抵御地震作用，也就是由結構本身儲存與消耗能量，來滿足結構的抗震設防的要求。因為人們目前無法準確地估計結構未來將會遭遇的地震動的強度與特點，結構的抗震性能沒有自我調節(jié)和自我控制的能力，所以在此種不確定性地震的影響之下，結構無法達到安全性的要求，隔震、耗能減震以及其它結構控制技術卻可以為結構控制提供嶄新的有效、經濟、簡單、可靠的抗震方法。它主要是在結構上進行控制機構的設置，利用控制機構和結構一起進行控制、抵御地震等動力荷載，進一步減小結構的動力反應。結構控制作為人的主觀能動性和自然的高度結合，是結構對策進程中的里程碑性事件，它已經并將繼續(xù)對結構工程產生重要影響。

2 基礎隔震

本文結合隔震裝置所處的實際位置，將隔震結構特點分為基礎隔震與層間隔震這兩個種類?；A隔震是目前應用十分廣泛的一項技術，它主要是在建筑物的基底進行控制機構（隔震裝置）的設置使得地震能量向上部結構傳輸隔離開來，使得上部結構的振動得以減輕，避免發(fā)生地震破壞。隔震裝置除了能夠設置在建筑物的基底，還可以根據具體需要設置在建筑物層和層之間，也就是形成層間隔震體系。

2.1 基礎隔震的原理

基礎隔震體系，主要由上部結構、隔震層結構、下部結構三部分組成，上部結構的層間剛度遠遠大于隔震裝置的水平剛度，在地震作用下，上部結構的層間位移很少，結構體系的水平位移主要集中在隔震層，上部結構在地震作用下近似為水平整體平動[圖1（a）]。如果忽略上部結構的扭轉作用，則結構可簡化為一個單質點動力分析模型[圖1（b）]，即：隔震層的剛度和阻尼近似代表結構體系的剛度和阻尼。彈簧越強，結構的周期越短，頻率越大；彈簧越弱，結構的周期越長，頻率越小。如果阻止振動的力比較小，那么振動就會一直延續(xù)，反之，則會立刻停止。此種阻止振動的力被稱之為阻尼力。無阻尼力的時候，如果發(fā)生振動，將會一直產生振動，這對建筑物會造成十分嚴重的影響。所以，阻尼力的大小是十分重要的[1]。

圖1 基礎隔震結構動力分析簡化模型

建筑物的振動特性受到自振周期以及阻尼性能這兩個因素的影響，然而自振周期還受到質量以及剛度分布的影響。對于一般建筑物其質量和剛度是基本確定的，也就是說它的自振周期是一定值，當受到所觀測到的地震波形的作用，建筑物將不停地振動變形，其所受到的最大水平力是我們所關注的。

2.2 基礎隔震的特點

我國抗震設計的基本原則是“大震不倒，中震可修，小震不壞”，對發(fā)生頻率較高的中小地震作用，建筑物基本不發(fā)生損壞；在罕遇大震作用時，容許結構構件屈服或建筑物部分損壞，但不允許結構發(fā)生整體倒塌。按抗震設計的建筑物，不能避免地震時的強烈晃動，當遭遇到大地震時雖然可以保證人身安全，但不能完全保證財產（建筑物及其內部物品）的安全?；A隔震結構適用于醫(yī)院、廣播、學校等重要建筑物，也適用于博物館、計算機中心等內部財產價值很高的建筑物，以及歷史、文化價值很高的建筑物，對其他用途的建筑物也同樣可以發(fā)揮很好的效果。

與目前的建筑結構相比，基礎隔震結構具有以下優(yōu)點[2]：

（1）提高地震作用下結構的安全度；

（2）設計自由度及想象空間增大；

（3）防止內部物品的振動、移動、翻倒；

（4）抑制了振動時的不適感（提高了安全感和可居性）；

（5）可以保護機械、器具的功能。

3 層間隔震減震

3.1 層間隔震減震的適用范圍

我國和世界上多個國家對隔震技術的使用只限于基礎隔震，上部結構體型規(guī)則，隔震層設置基礎頂面、地下室底部。由于缺少技術支持，對于許多不規(guī)則且復雜的建筑物不便在底部設置隔震層。對于以下幾種較為常見的建筑結構，將隔震層位置上移即形成層間隔震，問題將迎刃而解[3]。

3.1.1 豎向不規(guī)則建筑

在復雜高層建筑中，常設置結構轉換層，如果可以在轉換層和上部結構之間進行隔震層的設置，不僅可以進行結構的動力特性調整，使得轉換層上下剛度突變所導致的結構地震反應的突變得以改善，控制轉換層的突變位移僅發(fā)生在隔震層；還可以通過調整隔震支座的剛度分布以減小轉換結構的偏心影響，減小整體結構地震反應。地理位置特殊的建筑。

對于安歇地理位置相對而言比較特殊的建筑，因為建筑、地形以及使用要求等原因，隔震層不得出現(xiàn)在基礎頂面、地下室底部或者是頂部。如依山而建的建筑，基礎傾斜或基礎標高變化較多的建筑，不適宜在基礎設置隔震層；位于海邊或者是江邊的建筑，考慮地下水位比較高或者是海水侵入對隔震支座的影響，也需要考慮提高隔震層位置。

3.1.2 已有建筑的加固改造

為了提高土地利用率，減少工程的造價，使得舊房的使用功能以及條件得以改善，常常在己有建筑上進行加層改造。使得已有建筑的使用壽命可以得以延長。然而增加層數(shù)之后因為舊結構沒有達到抗震的要求，必須進行抗震加固處理。如果根據傳統(tǒng)的抗震設計方法進行加固，即加大截面、增加配筋，其結果造成截面越大剛度越大，地震作用力也越大，不僅難以保證既有結構加層后的抗震安全，也將大大增加工程費用。如果對現(xiàn)有建筑進行加層或加固改造時采用層間隔震技術，在新增加層和舊有建筑之間設置隔震層，則可同時減小上部新加結構和下部已有建筑的地震作用，不但節(jié)省投資，而且便于施工，建筑物的原有功能不受干擾，其優(yōu)越性是基礎隔震無法取代的。

3.2 層間隔震減震的特點

層間隔震減震技術是在基礎隔震結構的工程實踐中發(fā)展起來的一種新型隔震結構形式。是基礎隔震的拓展。

層間隔震減震也可以看成是基礎隔震層向結構上部轉移的結果。層間隔震減震體系可根據結構本身的特點，在結構豎向剛度有突變[圖2（a）]的部位、結構形式有變化的部位[圖2（b）]設置隔震層，隔震層的位置可以設置在結構的一層頂[圖2（c）]、中間層[圖2（d）]、和頂層等[圖2（e）]，隔震層裝置主要采用疊層橡膠隔震支座。

圖2 隔震層在不同位置的層間隔震

對于隔震層上部結構，類似于基礎隔震，在地震作用下主要為水平方向平動，當下部結構的剛度無窮大，且其地震反應不要求控制時，層間隔震減震體系轉化為基礎隔震體系。對于下部結構，上部結構的作用相當于調諧質量塊，上部結構的存在，對下部結構的地震反應起控制作用。當上部結構為單自由度體系且其地震反應不要求控制時，層間隔震減震體系轉化為TMD結構體系。

對于層間隔震減震結構，上部結構和下部結構均是結構設計要求控制的目標，不僅要減小上部結構的地震反應，同時要求減小下部結構的地震反應。

3.3 層間隔震結構動力運動方程

3.3.1 基本假定及動力分析模型的選取

某些隔震結構的上部結構是較為高柔的多層結構，其層間剛度相對較?。ㄈ缍鄬涌蚣芙Y構和層數(shù)較多的鋼筋混凝土結構）。在地震中，結構的地震反應宜按多質點體系進行分析。這種模型的自由度數(shù)等于結構的總層數(shù)，自由度較少，計算工作量小，而且層彈性剛度與層彈塑性恢復力相對而言很好確定。層間剪切模型的基本假定有[3]：

（1）樓蓋在其自身平面內剛度為無窮大；

（2）結構當中的豎向桿件在水平荷載的作用下沒有出現(xiàn)軸向變形；

（3）不考慮上、下樓層之間力與變形所導致的影響，模型的層間剛度影響著本樓層當中每一個豎向構件的剛度；

（4）在振動的過程當中上、下結構都處于彈性階段。

采用這種層模型進行地震反應計算，可以非常準確地計算出結構每一個階段的變形與層剪力所處的具體狀態(tài)，計算簡圖如圖3所示。

圖3 層間隔震結構計算簡圖

3.3.2動力運動方程

由于層間隔震結構的隔震層位于中間某層，另外隔震層的剛度、阻尼以及上下結構的剛度、阻尼存在著非常大的區(qū)別，這就導致了結構上下兩部分的受力情況存在著非常明顯的區(qū)別，上部結構和基礎隔震體系的上部結構相似，而對于下部結構來說除了受到地震作用外還受到了上部結構和隔震層慣性力等各種作用，因此分別對其運動方程進行建立。

上部結構的運動方程：

式中：[Ms][Mu]為上下部結構的質量矩陣，其中：

式中：mi為樓層質量；[Ks][Ku]為上、下部結構的剛度矩陣，klcl分別為隔震層附加的剛度和阻尼系數(shù)，若隔震層除設置鉛芯橡膠支座外無其他附加阻尼器和附加彈簧，則kl和cl均為0。

將以上三式寫成綜合形式得結構的整體運動方程：

3.4 層間隔震結構與基礎隔震的比較

（1）與普通是樓層相比，隔震層的水平剛度比較小，地震的時候會產生極大的變形。對于基礎隔震結構，隔震層一般都是位于室外地面以下，《規(guī)范》當中提出了十分明確的規(guī)定，上部結構的周邊一定要嚴格的根據相關的規(guī)范進行防震縫的設置，縫寬必須要大于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍。需要進行明確的水平隔離縫的設置；而對于層間隔震，因為隔震層設置在一層或者是一層以上的柱頂，結構的大變形處于沒有障礙的空中，也就不存在預留空間和相應的構造問題。

（2）對于基礎隔震結構而言，在隔震層頂部位置需要設置一層厚度大于140mm的梁板式樓蓋，而且需要保證樓蓋的梁板剛度與承載力均都大于普通樓面梁板的剛度以及承載力。如此一來，結構的自重會得到很大程度的增加。但是層間隔震就不需要進行這種樓蓋的增設，只需要把結構原本的樓蓋根據隔震的要求進行設計就可以了。

4 建筑物隔震減震的發(fā)展

層間隔震結構雖然有了許多工程實踐，但系統(tǒng)的設計方法還沒有形成。因此，還需要就層間隔震結構的動力特性和工作機理進一步的研究，完善層間隔震結構在豎向荷載作用下的內力分布，這樣才能安全、客觀地進行層間隔震結構的設計。層間隔震結構有明確的工程需求，其研究工作幾乎與實際同步。所以，盡管有一些工程應用，然而卻沒有比較系統(tǒng)的研究成果。但是與之相關的基礎隔震以及屋蓋隔震研究成果卻相當豐富。在此基礎上，開展層間隔震技術的研究定會在很大程度上促進隔震技術在工程當中的廣泛應用。

[1]徐立成，鐘心，劉曉群，等.建筑結構隔震減震技術的發(fā)展與應用[J].遼寧建材，2008（4）：40～41.

[2]吳世躍.我國建筑物減震隔震研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].山西焦煤科技，2010，34 （3）：45～48.

[3]李斌.建筑隔震技術的發(fā)展及其在住宅建設中的應用[D].天津大學，2009.

TU352.1+2

：A

：1673-0038（2015）05-0030-03

2014-12-10

尹利茹（1985-），女，助理工程師，本科，主要從事結構設計工作。