结构隔震技术研究浅析

张军豪 赵云

【摘要】介绍隔震技术的技术原理和研究、应用现状。总结了结构隔震体系的特点及常见隔震方法及隔震体系的模型分析方法；着重介绍国内目前主要采用的橡胶隔震、摩擦滚摆隔震和摩擦滑移隔震等技术；指出了隔震技术发展中的几个问题。

【关键词】隔震结构；基础隔震；隔震支座；结构设计

随着我国经济的飞速发展，工程建设的规模之大、发展之迅速也前所未有。作为一个幅员辽阔、人口密集的国家，高层建筑、大跨桥梁、超长隧道等一系列大型工程结构的建造如火如荼。我国作为世界地震多发地之一，建筑结构抗震的研究也一直没有停止[1-2]。传统抗震结构的抗震设防目标为“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”，这要求结构应具有相当的承载力和塑性变形能力，从而抵抗地震作用和吸收地震能量。

1.结构隔震原理及应用特点

所谓隔震，是在结构的基础或其它部位设计隔震层来隔离或消耗地震能。由于隔震层水平刚度较小，延长了结构的自振周期，避开了地震动的卓越周期，使结构的加速度反应明显降低，而结构的位移反而增大；同时，由于隔震层具有较大的阻尼，使结构的加速度反应进一步减小，而结构的位移反应也有所减小；并且，结构的位移主要集中在隔震层，上部结构类似整体的水平运动，上部结构的层间位移较小，从而起到保护上部结构及其内部设施的作用。

国内外大量的理论与实验及结构的实际地震记录表明：隔震技术一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右[3]，从而消除或有效减轻结构和设施的地震损害，不但提高结构及其内部设施和人员的安全性，也提高了震后建筑物继续使用的能力。隔震结构以其优良的减震效果、安全性、耐久性、经济性、适用性，得到地震工程界的认可。

隔震技术可用于对抗震安全性和使用功能要求较高或特定要求的建筑，如城市生命线工程及重要建筑（核电站、医院、消防、电力、通信、指挥中心、机场航站楼等）和各类一般工业与民用建筑。此外，隔震结构还可用于旧有工程结构的抗震加固。根据隔震结构的特点，《抗震规范》将隔震结构分为隔震层以上结构、隔震层和隔震层以下结构和基础等几部分分别进行抗震设计。

2.常见隔震技术分类

隔震系统一般由隔震支座、阻尼器、地基微震动与风反应控制装置等部分构成。应用较为广泛的隔震系统主要包括橡胶支座隔震系统、滑移支座隔震系统和摆动隔震系统[4]，另外还有比较新的混合控制隔震系统。

2.1 叠层橡胶支座隔震系统

叠层橡胶支座是由薄橡胶板和薄钢板分层交替叠合，经高温高压硫化粘接而成。在竖向荷载的作用下，橡胶层的横向变形受到上下钢板的约束，从而使支座具有较大的竖向承载力和刚度。在水平荷载作用下，薄钢板不影响橡胶板的剪切变形，使支座具有较小的水平刚度，并使橡胶层的相对位移大大减小，从而使橡胶支座在较大水平变形状态下不会发生失稳。叠层橡胶支座根据使用的橡胶材料和是否加铅芯可以分成低阻尼天然及合成橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。

叠层橡胶支座抗老化能力强，具有很好的耐久性，主要适合于隔离一定高度的砌体或钢筋混凝土结构，在一般情况下，这类结构不会出现竖向提离问题，风载问题也不占动载荷的主要地位。由于采用了抗拉拔力的高强度橡胶支座和巧妙的设计方法，隔震技术已能用于高宽比3～5，高度60～120m的超高层建筑上[5]。据统计，国内使用叠层橡胶支座的房屋的建筑面积在（1.50×l06）m2以上[6]，日本、美国、新西兰、法国、意大利、智利等国家建造了大量的这类隔震建筑和桥梁。

2.2 滑移支座隔震系统

滑移支座隔震系統也是一种应用广泛的隔震体系，包括摩擦摆系统、Electricite-de-France系统（EDF）、恢复力-摩擦支座隔震系统等[l].基础滑移隔震的基本原理是把建筑物上部结构做成一个整体，在房屋上部结构与基础之间设置滑移隔震装置及限位装置组成的隔震层；当发生一定强度的地震时，上部结构相对于基础作整体水平滑动，通过控制隔震装置的大小隔震层的滑动错动隔离了传向上部结构的地震力，限制基础传给建筑物底部的摩擦力及输入建筑物的能量，并将已输入结构的能量反馈到隔震缝处，使得变形及能量耗散主要在隔震缝处，从而大大减少了上部结构的地震反应。我国较早对该技术进行应用，1997年太原建成一栋九层摩擦滑移隔震房屋，并于1998年成功进行了侧推滑移试验。

2.3 混合控制隔震系统

混合控制隔震系统是将叠层橡胶支座与电、磁流变阻尼器等半主动控制装置（或称智能阻尼器）或主动控制装置混合在一起使用，发挥被动控制和主动控制（半主动控制）的综合优势，既能控制隔震系统上部结构的地震加速度反应和层间变形，又保证隔震层不会发生大位移。该隔震系统的主动作动器需要的能量小，适应性强，控制效果好，被认为是有发展潜力的新一代隔震系统。

3.结构隔震技术的应用和展望

早在1千年前，中国人就开始应用各种隔震技术建造房屋。如柱基“铰接”隔震和墙基设滑移层等。这些采用了隔震技术的古代文物建筑，历经多次大震而至今屹立不倒。近20年来，现代隔震技术在土木工程中得到了较大规模的应用。在美国，第一幢采用基础隔震技术的4层结构于1984年初开始建造，并于1985年中期完成。在日本，目前采用基础隔震技术的结构己经超过1000幢。目前隔震结构发展所面临的问题也是未来一段时间需要研究解决的重点问题，主要集中在以下几个方面：首先，隔震支座是隔震系统的重要部件，它的安全性、耐久性、经济性决定着隔震技术的应用与推广程度。对所有隔震系统来说，未来研究最重要的领域是隔震器及其组成材料的力学性质的长期稳定性。其次，隔震技术已发展得较为成熟，但在推广应用方面，仍存在不少问题。为了推动隔震结构的广泛使用，在降低隔震系统造价的同时，必须能对隔震结构的经济性能进行准确的定量评估，综合考虑隔震结构的功能、安全、经济因素之间的平衡。过去隔震结构的优化设计大多是仅针对隔震器、阻尼器参数进行优化，但是上部结构与控制器是整体协调作用的，应该将上部结构与控制器组成的隔震系统进行一体化优化设计，以避免出现“顾此失彼”的优化设计[6]。

参考文献

[1] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社， 1977.

[2] 苏经宇，曾德民.我国建筑结构隔震技术的研究与应用[J].地震工程与工程振动[J]， 2001， 21（4）： 94-101.

[3] 王建强.建筑结构抗震设计[M].中国电力出版社，2011，9.

[4] Naeim F，Kelly J M.Design of Seismic Isolated Struetures：from Theory to Practiee.New York：John Wiley and SonsInc，1999.

[5] 侯宝隆.日本隔震技术的新发展与控震技术的实际应用[J].工业建筑，2000，30（11）：74-78 .

[6] 杨迪雄，李刚. 隔震结构的研究概况和主要问题[J].力学进展，2003，33（3）：302-312 .

作者简介：1.张军豪（1992.7- ），男，河南南阳人，郑州大学土木工程学院2014级硕士研究生，结构工程专业，研究方向：结构减震，隔震。