隔震技术在建筑结构中的发展与应用

杨淑红

(呼伦贝尔学院，内蒙古呼伦贝尔 021008)

0 引言

由于地震的不确定性和复杂性，全世界每年大约18次的强震地震灾害，往往造成大量人员伤亡和重大经济损失。

隔震技术属于抗震设计中的主动控制技术，通过设置隔震层“消弱上部结构与基础、底部或下部结构的连接”“隔离输入上部结构的地震能量”“增大结构阻尼、延长结构自振周期”。大量工程经验和试验表明，隔震一般可直接减少输入上部结构的地震能量，结构的水平地震加速度反应可降低60%(降至非隔震设计时的40%左右)，从而有效地消除、减轻结构(非结构)构件的地震损坏，提高建筑物及内部人员设施的地震安全性，对特殊建筑(如医院、供水供电生命线工程、核电站等)还可实现地震(尤其是强烈地震)时迅速恢复及不中断使用功能的要求。

“隔震设计”作为设计理念在GB 50011-2001建筑抗震设计规范中以强制性条文被明确提出，同时制定的还有JG 118-2000建筑隔震橡胶支座、CECS 126∶2001叠层橡胶支座隔震技术规程、103SG610-1建筑结构隔震构造详图等。经过10多年的应用以及完善，在新GB 50011-2010建筑抗震设计规范(以下简称规范)中明确指出:建筑结构采用隔震与消能减震设计是一种有效减轻地震灾害的技术［1］。隔震与消能减震设计的应用范围被进一步地扩大。

1 隔震的概念、原理

1．1 隔震的概念

在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置(如由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成的具有复位功能的)隔震层，以延长整个结构的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求［1］。

1．2 隔震的原理

一般来说建筑物的地震反应取决于自振周期和阻尼特性两个因素。如图1所示为一般低层以及多层建筑的加速度与位移反应谱［2］。

图1 结构反应谱曲线

可见通过在房屋结构的底部(可在基础、地下室顶板、下部结构与上部结构之间如裙房顶等)设置隔震装置系统形成隔震层，隔离地震能量向上部结构的传递，降低建筑物加速度，延长上部结构的基本周期，避开地震地面运动的主频带范围，减免共振效应;同时适当增加的结构阻尼使结构的位移基本集中于隔震层，地震时建筑物上部结构类似于刚体平动，以第一振型为主;隔震层相对位移较大而结构本身位移很小，结构基本上处于弹性工作状态。

2 隔震系统的类型

隔震系统是由隔震器、阻尼器和复位(风反应控制与地基微震动)装置等组成。阻尼器可单独设计，也可与隔震器合为隔震支座一种元件以方便使用，必要时尚需设置防风锁定装置。

隔震系统常用的有摩擦滑移加阻尼器隔震系统、叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统、组合基础隔震系统等，目前比较成熟的是叠层橡胶支座隔震系统。

国内外常见的叠层橡胶支座有:标准叠层橡胶支座(MRB)，铅芯叠层橡胶支座(LRB)，高阻尼叠层橡胶支座(HD-MRB)，内包阻尼体叠层橡胶支座(DRB)。铅芯叠层橡胶支座在我国使用最多，标准叠层橡胶支座的使用稍少。

3 隔震设计对结构的要求

1)隔震层应提供必要的侧向刚度、阻尼及足够的竖向承载力。

2)非地震作用的其他水平荷载(如风荷载)标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。

3)工程经验表明:地震波的中、高频分量易被软弱场地滤掉，若在其上建造隔震房屋，延长的结构周期将增大而不是减小其地震反应。因此《规范》要求隔震结构建筑场地宜为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类等硬土场地，并应选用稳定性较好的基础类型。当在Ⅳ类场地建造隔震房屋时，应进行专门研究和专项审查。

4)根据橡胶隔震支座抗拉屈服强度低的特点，《规范》要求隔震结构最大高度应满足规范非隔震结构的要求，变形特征接近剪切变形，高宽比宜小于4，且不应大于相关规范规程对非隔震结构的具体规定。采用隔震设计时应对高宽比大于4或非隔震结构相关规定的结构进行专门研究。

5)2008年汶川地震中，位于7，8度区的隔震建筑，上部结构完好，但隔震层的管线受损。为适应隔震层的罕遇地震水平位移，穿过隔震层的设备配线、配管应采用柔性连接等有效措施，同时采取防火措施。

4 隔震方案的选择

目前隔震设计已属于结构抗震设计的成熟技术，应能适合工程的具体情况，在符合《规范》3．5．1条规定的基础上，应根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、使用功能确定建筑、结构隔震设计方案。并进行技术可行、经济适用、安全可靠等方面论证，且应与采用抗震设计的方案进行对比分析。进行方案分析比选时，结果应显示出隔震设计方案比抗震设计方案在提高结构抗震能力上的优势。

5 我国隔震技术的典型应用

我国学者李立早在20世纪60年代开始进行基础隔震理论的探索，80年代中后期，90年代我国展开以周福霖院士为首的橡胶隔震技术全方位(隔震制作研究、性能检测、结构模型试验、分析设计方法、施工技术等)的研究。

实例一:1989年，周福霖主持承担了由联合国和中国自然科学基金资助的隔震科研项目，经过近4年的试验研究和奔走协调，于1993年在汕头市主持设计建成了我国首栋采用夹层橡胶垫的多层隔震住宅——汕头市陵海路八层框架结构商住楼(1992年3月动工，1993年9月完工)，它是当年世界上最高最大的隔震住宅楼。汕头市陵海路隔震楼适当改变上部结构的设计(抗震烈度降低1度)，补偿了隔震基础所增加的费用(比常规抗震房屋节省了7%)，使房屋既安全又经济，开创了这一领域的先河。

1994年，在汕头召开了有18个国家、120名专家参加的国际会议，对该项目进行现场示范介绍。联合国的代表对此项目给予很高的评价:“汕头多层隔震房屋是把隔震技术用于量大面广的住宅房屋的最成功范例，它是世界隔震技术发展的第三个里程碑。”

实例二:由周福霖主持的北京通惠家园小区是国内平台面积最大且是首个位于地铁上盖的隔震楼群。北京地铁地面枢纽站平台上的通惠家园小区隔震楼群的经济效益如下:

1)经广州大学工程抗震研究中心模拟振动试验，房屋从6层增加到9层，住宅面积增加近10万m2，净增产值达2．4亿元。

2)平台的地震反应降为2/3，解决了已建平台抗震性能不足的设计“瓶颈”。

3)抗震安全度提高近4倍。

实例三:布谷孜大桥，是我国第一座9-32 m采用铅芯橡胶支座进行减隔震设计的后张法预应力混凝土梁桥。该桥处于近年地震活动频繁的高烈度9度地震区，在2003年2月新疆巴楚—伽师6．8级地震中，震区的其他铁路桥均发生不同程度破坏造成交通中断，唯有距震源只有40 km的布谷孜大桥屹立不倒及时向灾区输送了救援物资。实践证明，合理的隔震设计保证了该桥在强震作用下的安全性，在震后救援和重建工作中起到重要作用。

实例四:西安330 kV西北郊变电站中的110 kV配电楼是隔震技术首次应用于电力系统中，它降低了上部结构的抗震设防烈度(8度降为7度)，改善了结构的抗震性能，降低了CIS设备层的地震加速度反应，提高了该层设备在地震作用时运动安全性。实践证明取得了良好的效果。

6 隔震设计应注意有待解决的问题

1)对高宽比大、不符合《规范》要求的结构，在进行隔震设计时需进行整体抗倾覆验算，防止支座压屈并控制支座拉应力不超过1 MPa。验算隔震支座拉、压力时，应按罕遇地震作用计算并留有适当余地。

2)地震波在软弱(夹层)场地的传播特性尚不明确，软弱场地、场地有软弱夹层、下部结构变形过大的情况下应慎用隔震技术。

3)计算隔震上部结构水平地震作用时，隔震系统力学性能与水平向减震系数两者之间变化规律有待深入研究。

4)目前的隔震系统对竖向地震作用无隔离效果，隔震装置在竖向地震作用下的反应还有待进一步探讨。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］．

［2］王社良．抗震结构设计［M］．第4版．武汉:武汉理工大学出版社，2011:221-231．

［3］朱炳寅．建筑抗震设计规范应用与分析［M］．北京:中国建筑工业出版社，2012:504-508．

［4］日本建筑学会．隔震结构设计［M］．刘文光，译．北京:地震出版社，2006．