淺談建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)

1、規(guī)劃設(shè)計(jì)224淺談建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)吳喆1年澤峰2（1.遼寧中遠(yuǎn)建筑設(shè)計(jì)有限公司，遼寧，110025；2.圣亞投資(沈陽(yáng))有限公司，110000）【摘要】隔震技術(shù)的基本原理是：“以柔克剛”，在房屋的第一層以下的適當(dāng)位置增設(shè)隔震層，在地震時(shí)，由于隔震層的剛度與上部剛度相差很大，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的地震水平變形將集中在隔震層，阻隔地震能量上向下部傳遞，因而上部結(jié)構(gòu)的地震作用大大減小，建筑物本身運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小且處于整體平動(dòng)狀態(tài)，使建筑物有更高的可靠性和

2、安全性。本文將從隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法及隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)角度分析隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】隔震原理；基礎(chǔ)隔震；隔震試用范圍；隔震穩(wěn)定；經(jīng)濟(jì)性建筑隔震減震技術(shù)是通過在建筑物底部或某高度處設(shè)置側(cè)向剛度較小且變形能力大的隔震裝置以減小地震對(duì)上部樓層的能量輸入從而減小上部樓層的地震響應(yīng)。1111建筑隔震的原理建筑隔震就是在建筑物的基礎(chǔ)或下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置（或系統(tǒng)），形成隔震層，以達(dá)到阻隔地震時(shí)地面振動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)傳遞地震力（

3、或振動(dòng)能量），降低結(jié)構(gòu)在地震下的振動(dòng)反應(yīng)的目的。建筑結(jié)構(gòu)采用隔震措施后與相同的非隔震結(jié)構(gòu)相比將具有較長(zhǎng)的周期(通常是原周期的2～3倍)。根據(jù)反應(yīng)譜理論層數(shù)較少的非隔震結(jié)構(gòu)周期較短地震作用較大而隔震建筑的周期明顯延長(zhǎng)使得地震作用顯著減小。這是目前對(duì)隔震建筑原理的一般解釋并由此認(rèn)為隔震建筑一般適用于層數(shù)用隔震技術(shù)我國(guó)也開始高層建筑隔震的研究和應(yīng)用。但傳統(tǒng)的基于延長(zhǎng)周期的隔震原理似乎無法解釋隔震技術(shù)在高層建筑中應(yīng)用的合理性而實(shí)際高層建筑隔震的

4、動(dòng)力分析結(jié)果又表明高層建筑隔震仍具有明顯的減震效果。隔震技術(shù)在高層建筑中應(yīng)用的合理性來源于多個(gè)方面其中比較主要的方面在于隔震層同時(shí)也是絕好的消能減震層結(jié)構(gòu)的大部分變形集中在隔震層使得隔震層中阻尼器的消能作用具有更高的效率。除此之外即使只考慮隔震本身高層建筑隔震仍具有其他優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)絕對(duì)加速度響應(yīng)的降低。2隔震建筑的形式2.1基礎(chǔ)隔震所謂基礎(chǔ)隔震就是在建筑物的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)高度很矮具有足夠可靠性的隔震層控制地面運(yùn)動(dòng)向上部

5、結(jié)構(gòu)傳遞地震時(shí)其能量可反饋到地面或由隔震層吸收以大大減小結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震反應(yīng)確保建筑物的整體安全其內(nèi)部設(shè)備不發(fā)生破壞或喪失使用功能室內(nèi)人員不遭受傷害也不會(huì)有強(qiáng)烈震感。同時(shí)還可防止結(jié)構(gòu)內(nèi)部的次生災(zāi)害。主震后無需避震疏散即使發(fā)生罕遇大震隔震房屋也不會(huì)倒塌。在其中使用的橡膠隔震墊不僅有良好的隔震性能而且該技術(shù)在造價(jià)方面也有其優(yōu)越性。隔震結(jié)構(gòu)與一般結(jié)構(gòu)相比費(fèi)用增加的部分包括:隔震構(gòu)件、隔震層上面的樓面、設(shè)備管道的柔性接頭及相應(yīng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用和施工費(fèi)

6、用。如果上部結(jié)構(gòu)仍然按傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)其總工程費(fèi)用略有增加。基礎(chǔ)隔震技術(shù)是用水平力很“柔”的隔震元件將上部建筑與基礎(chǔ)隔離，由于隔震層的剛度很小，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，隔震層將發(fā)揮“隔”的作用，承受地震動(dòng)引起的位移運(yùn)動(dòng)，而上部結(jié)構(gòu)只作近似平動(dòng)。原來的“剛”“性”“抗震”結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是“放大晃動(dòng)型”，而基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)只是“抗震結(jié)構(gòu)”的14112，大大提高了結(jié)構(gòu)的安全度?！翱拐鸾Y(jié)構(gòu)”的層間位移大，所以造成建筑的開裂、破壞甚至倒塌?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)

7、的層間變形很小，這樣不僅建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞，而且建筑內(nèi)的裝修，設(shè)施也保持完好。目前應(yīng)用較多的隔震元件是建筑隔震橡膠支座，隔震橡膠支座是由一層鋼板一層像膠層層疊合起來的，并經(jīng)過加工將橡膠與鋼板牢固地粘結(jié)在一起，首先，隔震支座有很高的豎向承載特性和很小的壓縮變形，可確保建筑的安全；第二，隔震支座還具有較大的水平形能力，剪切變形可達(dá)到25%而不破壞；第三，橡膠隔震支座具有彈性復(fù)位特性，地震后可使建筑自動(dòng)恢復(fù)原位。采用隔震橡膠支座的建筑物，設(shè)防目

8、標(biāo)一般可以提高一個(gè)設(shè)防等級(jí)。傳統(tǒng)建筑的設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，而設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)隔震建筑通常能做到“小震不壞，中震不壞或輕度破壞，大震不喪失功能”。此外，采用隔震橡膠支座建造的房屋，可適當(dāng)降低上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防水準(zhǔn)（一般可降低一度到一度半），這樣就有可能使建筑布置更加靈活，并可減少一些結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施或減少一些結(jié)構(gòu)件的尺寸或配筋（如墻體厚度），從而使上部結(jié)構(gòu)能節(jié)約部分土建造價(jià)?，F(xiàn)代科技的發(fā)展已解決了橡膠的老化等耐久問題，完全

9、可以使橡膠隔震支座的壽命滿足建筑使用的要求。基礎(chǔ)隔震技術(shù)適用范圍很廣，尤其適用于量大面廣的中、低層磚混房屋和鋼筋混凝土房屋建筑，在高烈度地震區(qū)，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)建造的房屋，可以突破現(xiàn)行抗震規(guī)范中對(duì)房屋層數(shù)的限制，在保證高度比的前提下可以加高一兩層，這樣可以增大建筑物的容積率，節(jié)省建設(shè)用地，提高土地利用率。在中低烈度地震區(qū)，采用隔震技術(shù)，投資可能會(huì)稍有增加，但建筑的品質(zhì)與往日的相比已不可同日而語(yǔ)，更重要的是其產(chǎn)生的社會(huì)效益無法估量。2.2

10、中間層隔震在基礎(chǔ)以上的中間樓層設(shè)置隔震層下部結(jié)構(gòu)同普通建筑物一樣直接與地基接觸因此它不存在基礎(chǔ)隔震建筑的底部體積和墻體數(shù)量問題但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區(qū)場(chǎng)地不太寬裕時(shí)可把隔震層設(shè)計(jì)在地面以上在空中變形有利于節(jié)約用地同時(shí)也能有效減少地基的挖土量。3隔震建筑穩(wěn)定性隔震建筑穩(wěn)定性隔震建筑通過隔震墊改變建筑的周期，從而減少地震能量的輸入，達(dá)到減震的目的，設(shè)置隔震層，將導(dǎo)致減少建筑物的水平位移約束，根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，可以肯定，兩個(gè)完

11、全相同的上部結(jié)構(gòu)，嵌入隔震層的穩(wěn)定性不如無隔震層的。因此，從某種意義上說，結(jié)構(gòu)減震是以降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為條件的。橡膠墊越扁平，隔震器穩(wěn)定性越好，水平剛度越大，水平剛度大的隔震器隔震效果相對(duì)較差，在此揭示了隔震器穩(wěn)定性與其隔震效果是～對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)研究中，協(xié)調(diào)矛盾是重要的，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)建議s2直徑與高度比取值為3—6；隔震建筑的穩(wěn)定與隔震層位置也有關(guān)系，隔震層位置越接近地基，建筑的隔震效果越好，整體穩(wěn)定性穩(wěn)差，穩(wěn)定性越好，隔震效果越差。為了防止

12、隔震建筑失穩(wěn)，《規(guī)范》規(guī)定：隔震支座在表第l223初期值的20％；徐變量不超過各橡膠層總厚度的5％；隔震層橡膠支座在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力。另外隔震建筑在設(shè)計(jì)施工中為防失穩(wěn)都應(yīng)設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)。表3平均壓應(yīng)力限值I建筑類別甲類乙類丙類建筑建筑建筑平均壓應(yīng)力限值(MPa)101215高層建筑隔震設(shè)計(jì)中隔震建筑穩(wěn)定性問題更加突出，在當(dāng)前技術(shù)條件下，隔震支座根本無法承受大的拔力，日本在隔震技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用中，采用了直線式滑動(dòng)支座，這種支座

13、最大抗拔力可達(dá)18000KN，還有一個(gè)新辦法，就是采用柱基“活接”隔震消能措施。但目前高層建筑隔震設(shè)計(jì)中不單只應(yīng)用橡膠隔震墊，還須其他減震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行空間模型非線性時(shí)程分析，4隔震結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。隔震建筑在振動(dòng)性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加價(jià)值，因此與以往建筑物比較時(shí)，應(yīng)考慮附加價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在考慮隔震建筑的造價(jià)時(shí)，不僅要考慮初始造價(jià)，如果從包括建筑物在使用階段的維修、重建、內(nèi)部物品的損壞和經(jīng)濟(jì)損失來考慮，隔震建筑具有很好的經(jīng)

14、濟(jì)性。從國(guó)內(nèi)外建筑的實(shí)例來看，全部工程費(fèi)用可能增加，但隔震效果好，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分的造價(jià)減少很多。如果能有效的利用隔震層作為設(shè)備層或停車場(chǎng)就可以抵制隔震層的費(fèi)用增加。因此，總造價(jià)可能就會(huì)降低。參考文獻(xiàn)[1]GB50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[2]曲哲葉列平潘鵬高層建筑的隔震原理與技術(shù)清華大學(xué)土木工程系北京100084[3]田杰建筑隔震技術(shù)概況北京工業(yè)大學(xué)[4]何永超等日本高層基礎(chǔ)隔震技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工業(yè)建筑，2002萬方數(shù)據(jù)規(guī)

15、劃設(shè)計(jì)224淺談建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)吳喆1年澤峰2（1.遼寧中遠(yuǎn)建筑設(shè)計(jì)有限公司，遼寧，110025；2.圣亞投資(沈陽(yáng))有限公司，110000）【摘要】隔震技術(shù)的基本原理是：“以柔克剛”，在房屋的第一層以下的適當(dāng)位置增設(shè)隔震層，在地震時(shí)，由于隔震層的剛度與上部剛度相差很大，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的地震水平變形將集中在隔震層，阻隔地震能量上向下部傳遞，因而上部結(jié)構(gòu)的地震作用大大減小，建筑物本身運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小且處于整體平動(dòng)狀態(tài)，使建筑物有更高的可靠性和安

16、全性。本文將從隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法及隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)角度分析隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。【關(guān)鍵詞】隔震原理；基礎(chǔ)隔震；隔震試用范圍；隔震穩(wěn)定；經(jīng)濟(jì)性建筑隔震減震技術(shù)是通過在建筑物底部或某高度處設(shè)置側(cè)向剛度較小且變形能力大的隔震裝置以減小地震對(duì)上部樓層的能量輸入從而減小上部樓層的地震響應(yīng)。1111建筑隔震的原理建筑隔震就是在建筑物的基礎(chǔ)或下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置（或系統(tǒng)），形成隔震層，以達(dá)到阻隔地震時(shí)地面振動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)傳遞地震力（或

17、振動(dòng)能量），降低結(jié)構(gòu)在地震下的振動(dòng)反應(yīng)的目的。建筑結(jié)構(gòu)采用隔震措施后與相同的非隔震結(jié)構(gòu)相比將具有較長(zhǎng)的周期(通常是原周期的2～3倍)。根據(jù)反應(yīng)譜理論層數(shù)較少的非隔震結(jié)構(gòu)周期較短地震作用較大而隔震建筑的周期明顯延長(zhǎng)使得地震作用顯著減小。這是目前對(duì)隔震建筑原理的一般解釋并由此認(rèn)為隔震建筑一般適用于層數(shù)用隔震技術(shù)我國(guó)也開始高層建筑隔震的研究和應(yīng)用。但傳統(tǒng)的基于延長(zhǎng)周期的隔震原理似乎無法解釋隔震技術(shù)在高層建筑中應(yīng)用的合理性而實(shí)際高層建筑隔震的動(dòng)

18、力分析結(jié)果又表明高層建筑隔震仍具有明顯的減震效果。隔震技術(shù)在高層建筑中應(yīng)用的合理性來源于多個(gè)方面其中比較主要的方面在于隔震層同時(shí)也是絕好的消能減震層結(jié)構(gòu)的大部分變形集中在隔震層使得隔震層中阻尼器的消能作用具有更高的效率。除此之外即使只考慮隔震本身高層建筑隔震仍具有其他優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)絕對(duì)加速度響應(yīng)的降低。2隔震建筑的形式2.1基礎(chǔ)隔震所謂基礎(chǔ)隔震就是在建筑物的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)高度很矮具有足夠可靠性的隔震層控制地面運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)

19、構(gòu)傳遞地震時(shí)其能量可反饋到地面或由隔震層吸收以大大減小結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震反應(yīng)確保建筑物的整體安全其內(nèi)部設(shè)備不發(fā)生破壞或喪失使用功能室內(nèi)人員不遭受傷害也不會(huì)有強(qiáng)烈震感。同時(shí)還可防止結(jié)構(gòu)內(nèi)部的次生災(zāi)害。主震后無需避震疏散即使發(fā)生罕遇大震隔震房屋也不會(huì)倒塌。在其中使用的橡膠隔震墊不僅有良好的隔震性能而且該技術(shù)在造價(jià)方面也有其優(yōu)越性。隔震結(jié)構(gòu)與一般結(jié)構(gòu)相比費(fèi)用增加的部分包括:隔震構(gòu)件、隔震層上面的樓面、設(shè)備管道的柔性接頭及相應(yīng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用和施工費(fèi)用

20、。如果上部結(jié)構(gòu)仍然按傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)其總工程費(fèi)用略有增加?；A(chǔ)隔震技術(shù)是用水平力很“柔”的隔震元件將上部建筑與基礎(chǔ)隔離，由于隔震層的剛度很小，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，隔震層將發(fā)揮“隔”的作用，承受地震動(dòng)引起的位移運(yùn)動(dòng)，而上部結(jié)構(gòu)只作近似平動(dòng)。原來的“剛”“性”“抗震”結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是“放大晃動(dòng)型”，而基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)只是“抗震結(jié)構(gòu)”的14112，大大提高了結(jié)構(gòu)的安全度?！翱拐鸾Y(jié)構(gòu)”的層間位移大，所以造成建筑的開裂、破壞甚至倒塌?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的

21、層間變形很小，這樣不僅建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞，而且建筑內(nèi)的裝修，設(shè)施也保持完好。目前應(yīng)用較多的隔震元件是建筑隔震橡膠支座，隔震橡膠支座是由一層鋼板一層像膠層層疊合起來的，并經(jīng)過加工將橡膠與鋼板牢固地粘結(jié)在一起，首先，隔震支座有很高的豎向承載特性和很小的壓縮變形，可確保建筑的安全；第二，隔震支座還具有較大的水平形能力，剪切變形可達(dá)到25%而不破壞；第三，橡膠隔震支座具有彈性復(fù)位特性，地震后可使建筑自動(dòng)恢復(fù)原位。采用隔震橡膠支座的建筑物，設(shè)防目標(biāo)

22、一般可以提高一個(gè)設(shè)防等級(jí)。傳統(tǒng)建筑的設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，而設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)隔震建筑通常能做到“小震不壞，中震不壞或輕度破壞，大震不喪失功能”。此外，采用隔震橡膠支座建造的房屋，可適當(dāng)降低上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防水準(zhǔn)（一般可降低一度到一度半），這樣就有可能使建筑布置更加靈活，并可減少一些結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施或減少一些結(jié)構(gòu)件的尺寸或配筋（如墻體厚度），從而使上部結(jié)構(gòu)能節(jié)約部分土建造價(jià)?，F(xiàn)代科技的發(fā)展已解決了橡膠的老化等耐久問題，完全可

23、以使橡膠隔震支座的壽命滿足建筑使用的要求?；A(chǔ)隔震技術(shù)適用范圍很廣，尤其適用于量大面廣的中、低層磚混房屋和鋼筋混凝土房屋建筑，在高烈度地震區(qū)，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)建造的房屋，可以突破現(xiàn)行抗震規(guī)范中對(duì)房屋層數(shù)的限制，在保證高度比的前提下可以加高一兩層，這樣可以增大建筑物的容積率，節(jié)省建設(shè)用地，提高土地利用率。在中低烈度地震區(qū)，采用隔震技術(shù)，投資可能會(huì)稍有增加，但建筑的品質(zhì)與往日的相比已不可同日而語(yǔ)，更重要的是其產(chǎn)生的社會(huì)效益無法估量。2.2中

24、間層隔震在基礎(chǔ)以上的中間樓層設(shè)置隔震層下部結(jié)構(gòu)同普通建筑物一樣直接與地基接觸因此它不存在基礎(chǔ)隔震建筑的底部體積和墻體數(shù)量問題但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區(qū)場(chǎng)地不太寬裕時(shí)可把隔震層設(shè)計(jì)在地面以上在空中變形有利于節(jié)約用地同時(shí)也能有效減少地基的挖土量。3隔震建筑穩(wěn)定性隔震建筑穩(wěn)定性隔震建筑通過隔震墊改變建筑的周期，從而減少地震能量的輸入，達(dá)到減震的目的，設(shè)置隔震層，將導(dǎo)致減少建筑物的水平位移約束，根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，可以肯定，兩個(gè)完全

25、相同的上部結(jié)構(gòu)，嵌入隔震層的穩(wěn)定性不如無隔震層的。因此，從某種意義上說，結(jié)構(gòu)減震是以降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為條件的。橡膠墊越扁平，隔震器穩(wěn)定性越好，水平剛度越大，水平剛度大的隔震器隔震效果相對(duì)較差，在此揭示了隔震器穩(wěn)定性與其隔震效果是～對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)研究中，協(xié)調(diào)矛盾是重要的，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)建議s2直徑與高度比取值為3—6；隔震建筑的穩(wěn)定與隔震層位置也有關(guān)系，隔震層位置越接近地基，建筑的隔震效果越好，整體穩(wěn)定性穩(wěn)差，穩(wěn)定性越好，隔震效果越差。為了防止隔

26、震建筑失穩(wěn)，《規(guī)范》規(guī)定：隔震支座在表第l223初期值的20％；徐變量不超過各橡膠層總厚度的5％；隔震層橡膠支座在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力。另外隔震建筑在設(shè)計(jì)施工中為防失穩(wěn)都應(yīng)設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)。表3平均壓應(yīng)力限值I建筑類別甲類乙類丙類建筑建筑建筑平均壓應(yīng)力限值(MPa)101215高層建筑隔震設(shè)計(jì)中隔震建筑穩(wěn)定性問題更加突出，在當(dāng)前技術(shù)條件下，隔震支座根本無法承受大的拔力，日本在隔震技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用中，采用了直線式滑動(dòng)支座，這種支座最

27、大抗拔力可達(dá)18000KN，還有一個(gè)新辦法，就是采用柱基“活接”隔震消能措施。但目前高層建筑隔震設(shè)計(jì)中不單只應(yīng)用橡膠隔震墊，還須其他減震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行空間模型非線性時(shí)程分析，4隔震結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。隔震建筑在振動(dòng)性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加價(jià)值，因此與以往建筑物比較時(shí)，應(yīng)考慮附加價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在考慮隔震建筑的造價(jià)時(shí)，不僅要考慮初始造價(jià)，如果從包括建筑物在使用階段的維修、重建、內(nèi)部物品的損壞和經(jīng)濟(jì)損失來考慮，隔震建筑具有很好的經(jīng)濟(jì)