淺談建筑結構隔震設計

1、規(guī)劃設計224淺談建筑結構隔震設計吳喆1年澤峰2（1.遼寧中遠建筑設計有限公司，遼寧，110025；2.圣亞投資(沈陽)有限公司，110000）【摘要】隔震技術的基本原理是：“以柔克剛”，在房屋的第一層以下的適當位置增設隔震層，在地震時，由于隔震層的剛度與上部剛度相差很大，整個結構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，因而上部結構的地震作用大大減小，建筑物本身運動相對較小且處于整體平動狀態(tài)，使建筑物有更高的可靠性和

2、安全性。本文將從隔震結構的優(yōu)點、設計方法及隔震結構經濟性等幾個角度分析隔震結構的特點?！娟P鍵詞】隔震原理；基礎隔震；隔震試用范圍；隔震穩(wěn)定；經濟性建筑隔震減震技術是通過在建筑物底部或某高度處設置側向剛度較小且變形能力大的隔震裝置以減小地震對上部樓層的能量輸入從而減小上部樓層的地震響應。1111建筑隔震的原理建筑隔震就是在建筑物的基礎或下部結構和上部結構之間設置隔震裝置（或系統(tǒng)），形成隔震層，以達到阻隔地震時地面振動向上部結構傳遞地震力（

3、或振動能量），降低結構在地震下的振動反應的目的。建筑結構采用隔震措施后與相同的非隔震結構相比將具有較長的周期(通常是原周期的2～3倍)。根據反應譜理論層數較少的非隔震結構周期較短地震作用較大而隔震建筑的周期明顯延長使得地震作用顯著減小。這是目前對隔震建筑原理的一般解釋并由此認為隔震建筑一般適用于層數用隔震技術我國也開始高層建筑隔震的研究和應用。但傳統(tǒng)的基于延長周期的隔震原理似乎無法解釋隔震技術在高層建筑中應用的合理性而實際高層建筑隔震的

4、動力分析結果又表明高層建筑隔震仍具有明顯的減震效果。隔震技術在高層建筑中應用的合理性來源于多個方面其中比較主要的方面在于隔震層同時也是絕好的消能減震層結構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)勢主要體現在上部結構絕對加速度響應的降低。2隔震建筑的形式2.1基礎隔震所謂基礎隔震就是在建筑物的基礎與上部結構之間增設高度很矮具有足夠可靠性的隔震層控制地面運動向上部

5、結構傳遞地震時其能量可反饋到地面或由隔震層吸收以大大減小結構及構件的地震反應確保建筑物的整體安全其內部設備不發(fā)生破壞或喪失使用功能室內人員不遭受傷害也不會有強烈震感。同時還可防止結構內部的次生災害。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在造價方面也有其優(yōu)越性。隔震結構與一般結構相比費用增加的部分包括:隔震構件、隔震層上面的樓面、設備管道的柔性接頭及相應的設計費用和施工費

6、用。如果上部結構仍然按傳統(tǒng)的抗震設計其總工程費用略有增加?；A隔震技術是用水平力很“柔”的隔震元件將上部建筑與基礎隔離，由于隔震層的剛度很小，當地震發(fā)生時，隔震層將發(fā)揮“隔”的作用，承受地震動引起的位移運動，而上部結構只作近似平動。原來的“剛”“性”“抗震”結構的地震反應是“放大晃動型”，而基礎隔震結構的地震反應只是“抗震結構”的14112，大大提高了結構的安全度?！翱拐鸾Y構”的層間位移大，所以造成建筑的開裂、破壞甚至倒塌?；A隔震結構

7、的層間變形很小，這樣不僅建筑結構不會破壞，而且建筑內的裝修，設施也保持完好。目前應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，并經過加工將橡膠與鋼板牢固地粘結在一起，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，剪切變形可達到25%而不破壞；第三，橡膠隔震支座具有彈性復位特性，地震后可使建筑自動恢復原位。采用隔震橡膠支座的建筑物，設防目

8、標一般可以提高一個設防等級。傳統(tǒng)建筑的設防目標是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，而設計合理的基礎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，可適當降低上部結構的設防水準（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，并可減少一些結構的構造措施或減少一些結構件的尺寸或配筋（如墻體厚度），從而使上部結構能節(jié)約部分土建造價。現代科技的發(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。基礎隔震技術適用范圍很廣，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)，采用基礎隔震技術建造的房屋，可以突破現行抗震規(guī)范中對房屋層數的限制，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)省建設用地，提高土地利用率。在中低烈度地震區(qū)，采用隔震技術，投資可能會稍有增加，但建筑的品質與往日的相比已不可同日而語，更重要的是其產生的社會效益無法估量。2.2

10、中間層隔震在基礎以上的中間樓層設置隔震層下部結構同普通建筑物一樣直接與地基接觸因此它不存在基礎隔震建筑的底部體積和墻體數量問題但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區(qū)場地不太寬裕時可把隔震層設計在地面以上在空中變形有利于節(jié)約用地同時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，達到減震的目的，設置隔震層，將導致減少建筑物的水平位移約束，根據彈性穩(wěn)定理論，可以肯定，兩個完

11、全相同的上部結構，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，結構減震是以降低結構穩(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較差，在此揭示了隔震器穩(wěn)定性與其隔震效果是～對矛盾，設計研究中，協(xié)調矛盾是重要的，國內外文獻建議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，不宜出現拉應力。另外隔震建筑在設計施工中為防失穩(wěn)都應設置沉降觀測點。表3平均壓應力限值I建筑類別甲類乙類丙類建筑建筑建筑平均壓應力限值(MPa)101215高層建筑隔震設計中隔震建筑穩(wěn)定性問題更加突出，在當前技術條件下，隔震支座根本無法承受大的拔力，日本在隔震技術開發(fā)和應用中，采用了直線式滑動支座，這種支座

13、最大抗拔力可達18000KN，還有一個新辦法，就是采用柱基“活接”隔震消能措施。但目前高層建筑隔震設計中不單只應用橡膠隔震墊，還須其他減震設計方法進行空間模型非線性時程分析，4隔震結構的經濟性。隔震建筑在振動性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加價值，因此與以往建筑物比較時，應考慮附加價值進行綜合評價。在考慮隔震建筑的造價時，不僅要考慮初始造價，如果從包括建筑物在使用階段的維修、重建、內部物品的損壞和經濟損失來考慮，隔震建筑具有很好的經

14、濟性。從國內外建筑的實例來看，全部工程費用可能增加，但隔震效果好，上部結構和基礎結構部分的造價減少很多。如果能有效的利用隔震層作為設備層或停車場就可以抵制隔震層的費用增加。因此，總造價可能就會降低。參考文獻[1]GB50011—2001建筑抗震設計規(guī)范[2]曲哲葉列平潘鵬高層建筑的隔震原理與技術清華大學土木工程系北京100084[3]田杰建筑隔震技術概況北京工業(yè)大學[4]何永超等日本高層基礎隔震技術開發(fā)和應用工業(yè)建筑，2002萬方數據規(guī)

15、劃設計224淺談建筑結構隔震設計吳喆1年澤峰2（1.遼寧中遠建筑設計有限公司，遼寧，110025；2.圣亞投資(沈陽)有限公司，110000）【摘要】隔震技術的基本原理是：“以柔克剛”，在房屋的第一層以下的適當位置增設隔震層，在地震時，由于隔震層的剛度與上部剛度相差很大，整個結構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，因而上部結構的地震作用大大減小，建筑物本身運動相對較小且處于整體平動狀態(tài)，使建筑物有更高的可靠性和安

16、全性。本文將從隔震結構的優(yōu)點、設計方法及隔震結構經濟性等幾個角度分析隔震結構的特點。【關鍵詞】隔震原理；基礎隔震；隔震試用范圍；隔震穩(wěn)定；經濟性建筑隔震減震技術是通過在建筑物底部或某高度處設置側向剛度較小且變形能力大的隔震裝置以減小地震對上部樓層的能量輸入從而減小上部樓層的地震響應。1111建筑隔震的原理建筑隔震就是在建筑物的基礎或下部結構和上部結構之間設置隔震裝置（或系統(tǒng)），形成隔震層，以達到阻隔地震時地面振動向上部結構傳遞地震力（或

17、振動能量），降低結構在地震下的振動反應的目的。建筑結構采用隔震措施后與相同的非隔震結構相比將具有較長的周期(通常是原周期的2～3倍)。根據反應譜理論層數較少的非隔震結構周期較短地震作用較大而隔震建筑的周期明顯延長使得地震作用顯著減小。這是目前對隔震建筑原理的一般解釋并由此認為隔震建筑一般適用于層數用隔震技術我國也開始高層建筑隔震的研究和應用。但傳統(tǒng)的基于延長周期的隔震原理似乎無法解釋隔震技術在高層建筑中應用的合理性而實際高層建筑隔震的動

18、力分析結果又表明高層建筑隔震仍具有明顯的減震效果。隔震技術在高層建筑中應用的合理性來源于多個方面其中比較主要的方面在于隔震層同時也是絕好的消能減震層結構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)勢主要體現在上部結構絕對加速度響應的降低。2隔震建筑的形式2.1基礎隔震所謂基礎隔震就是在建筑物的基礎與上部結構之間增設高度很矮具有足夠可靠性的隔震層控制地面運動向上部結

19、構傳遞地震時其能量可反饋到地面或由隔震層吸收以大大減小結構及構件的地震反應確保建筑物的整體安全其內部設備不發(fā)生破壞或喪失使用功能室內人員不遭受傷害也不會有強烈震感。同時還可防止結構內部的次生災害。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在造價方面也有其優(yōu)越性。隔震結構與一般結構相比費用增加的部分包括:隔震構件、隔震層上面的樓面、設備管道的柔性接頭及相應的設計費用和施工費用

20、。如果上部結構仍然按傳統(tǒng)的抗震設計其總工程費用略有增加?；A隔震技術是用水平力很“柔”的隔震元件將上部建筑與基礎隔離，由于隔震層的剛度很小，當地震發(fā)生時，隔震層將發(fā)揮“隔”的作用，承受地震動引起的位移運動，而上部結構只作近似平動。原來的“剛”“性”“抗震”結構的地震反應是“放大晃動型”，而基礎隔震結構的地震反應只是“抗震結構”的14112，大大提高了結構的安全度。“抗震結構”的層間位移大，所以造成建筑的開裂、破壞甚至倒塌?；A隔震結構的

21、層間變形很小，這樣不僅建筑結構不會破壞，而且建筑內的裝修，設施也保持完好。目前應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，并經過加工將橡膠與鋼板牢固地粘結在一起，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，剪切變形可達到25%而不破壞；第三，橡膠隔震支座具有彈性復位特性，地震后可使建筑自動恢復原位。采用隔震橡膠支座的建筑物，設防目標

22、一般可以提高一個設防等級。傳統(tǒng)建筑的設防目標是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，而設計合理的基礎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，可適當降低上部結構的設防水準（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，并可減少一些結構的構造措施或減少一些結構件的尺寸或配筋（如墻體厚度），從而使上部結構能節(jié)約部分土建造價?，F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隔震技術適用范圍很廣，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)，采用基礎隔震技術建造的房屋，可以突破現行抗震規(guī)范中對房屋層數的限制，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)省建設用地，提高土地利用率。在中低烈度地震區(qū)，采用隔震技術，投資可能會稍有增加，但建筑的品質與往日的相比已不可同日而語，更重要的是其產生的社會效益無法估量。2.2中

24、間層隔震在基礎以上的中間樓層設置隔震層下部結構同普通建筑物一樣直接與地基接觸因此它不存在基礎隔震建筑的底部體積和墻體數量問題但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區(qū)場地不太寬裕時可把隔震層設計在地面以上在空中變形有利于節(jié)約用地同時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，達到減震的目的，設置隔震層，將導致減少建筑物的水平位移約束，根據彈性穩(wěn)定理論，可以肯定，兩個完全

25、相同的上部結構，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，結構減震是以降低結構穩(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較差，在此揭示了隔震器穩(wěn)定性與其隔震效果是～對矛盾，設計研究中，協(xié)調矛盾是重要的，國內外文獻建議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，不宜出現拉應力。另外隔震建筑在設計施工中為防失穩(wěn)都應設置沉降觀測點。表3平均壓應力限值I建筑類別甲類乙類丙類建筑建筑建筑平均壓應力限值(MPa)101215高層建筑隔震設計中隔震建筑穩(wěn)定性問題更加突出，在當前技術條件下，隔震支座根本無法承受大的拔力，日本在隔震技術開發(fā)和應用中，采用了直線式滑動支座，這種支座最

27、大抗拔力可達18000KN，還有一個新辦法，就是采用柱基“活接”隔震消能措施。但目前高層建筑隔震設計中不單只應用橡膠隔震墊，還須其他減震設計方法進行空間模型非線性時程分析，4隔震結構的經濟性。隔震建筑在振動性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加價值，因此與以往建筑物比較時，應考慮附加價值進行綜合評價。在考慮隔震建筑的造價時，不僅要考慮初始造價，如果從包括建筑物在使用階段的維修、重建、內部物品的損壞和經濟損失來考慮，隔震建筑具有很好的經濟