结构隔震设计

刘玉娟 杨 清 曹 宁（山东省土木工程防灾减灾重点实验室（山东科技大学），山东 青岛 266590）

结构隔震设计

刘玉娟 杨 清 曹 宁
（山东省土木工程防灾减灾重点实验室（山东科技大学），山东 青岛 266590）

传统抗震已经不满足现代建筑的要求，因此采用隔震设计在建筑物和构筑物的基底或某个位置设置控制机构来隔离或耗散地震能量，以避免或减少地震能量向上部结构的传输，使结构振动反应减轻，实现地震时建筑物只发生较轻微的运动和变形，从而保障建筑物的安全。

隔震设计；基础隔震；中间层隔震；隔震支座

传统的抗震设计主要是经过简化后的模型动力学分析和建筑抗震经验设计，即一次次的震害分析进行修正、补充，得到一些建筑物在地震作用下的反应机理及破坏形式，提出了一些建筑物抗震的计算方法及设计的基本原则。在结构设计中设置多道抗震设防线、选用耗能构件和对结构的刚度、承载力、延性的合理匹配来提高结构抗震性能，这些在实际应用中得到了很不错的效果。但是，针对某些重要的建筑物安全性较高的要求和对一些建筑物的修复加固改造的问题，在建筑设计和施工中逐渐地采用隔震和消能减震技术。隔震即是隔离地震，随着科技发展，这种技术越来越来受到人们的重视。

1 隔震结构设计

1.1 隔震设计要求

设计方案：应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震的设计方案进行技术、经济可行性的对比后，确定其设计方案。

设防目标：隔震建筑，其抗震设防目标应高于抗震建筑。在水平地震方面，隔震结构具有比抗震结构至少高0.5个设防烈度的抗震安全储备。竖向抗震措施不应降低。

隔震部件：设计文件上应注明对隔震部件的性能要求；隔震部件的设计参数和耐久性应由试验确定；安装前对工程中所有各种类型和规格的部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量不应少于3个，抽样检测的合格率应为100；设置隔震部件的部位，除按计算确定外，应采取便于检查和替换的措施。

1.2 设计原则

在隔震结构的设计中，应通过对结构的整体特性、结构布置、结构刚度的分布等情况进行合理设置，控制结构在地震发生时的反应性能，达到减小地震反应的目的。控制隔震支座的布置及结构的刚度，使其分布均匀。尽量使结构刚度中心与上部结构质量中心的偏移小一些， 基础隔震技术对低层多层建筑最为适合，隔震建筑的房屋高度和层数应符合有关设计技术规范中的相应规定。隔震建筑一般更适合于I、II、III类建筑场地，并且选用刚性较好的基础类型，以保证隔震层的稳定性和在地震中运动的一致性。应对非地震作用的水平荷载（如风荷载）加以限制。应对隔震结构的高宽比加以控制。隔震结构的高宽比应满足规范的要求。当高宽比不满足要求时，应进行罕遇地震下的抗倾覆验算。

合理设置隔震结构的基本周期原则。基础隔震层一般应设置在结构第一层以下的部位，隔震层在罕遇地震下应保持稳定，且不出现不可恢复的变形。控制隔震结构的节点构造，保证隔震层在地震时有效发挥作用。穿过隔震层的设备配管和电器、通信系统的配线，应采用挠曲柔性连接等适应隔震层罕遇地震水平位移的措施；采用钢筋或钢架接地的避雷设备，应设置跨越隔震层的接地配线。建筑隔震橡胶支座和隔震层的其他部件尚应根据隔震层所在位置的耐火等级采取相应的防火措施。对于体型复杂或有特殊要求的结构应进行模型试验。

2 隔震类型

2.1 基础隔震

基础隔震，就是在建筑物的基础与上部结构之间增设高度很矮，具有足够可靠性的隔震层，控制地面运动向上部结构传递，地震时其能量可反馈到地面或由隔震层吸收,以大大减小结构及构件的地震反应，确保建筑物的整体安全,其内部设备不发生破坏或丧失使用功能,室内人员不遭受伤害也不会有强烈震感。同时,还可防止结构内部的次生灾害。基础隔震以其极少的投资换取很大的安全系数。基础滑动隔震效果受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象。

在其中使用的橡胶隔震垫有良好的隔震性能，如果上部结构仍然按传统的抗震设计，其总工程费用略有增加。隔震结构与一般结构相比，费用增加的部分包括:隔震构件、隔震层上面的楼面、设备管道的柔性接头及相应的设计费用和施工费用。为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：承载特性，隔震特性，复位特性和耗能特性。基础隔震的机理明确，减震效果明显，适用于不同烈度和不同抗震要求的建筑物，主要有以下优越性：明显有效地减轻结构的地震反应；简化了抗震设计和建筑隔震建筑物维修方便。我国己将基础隔震设计纳入《建筑抗震设计规范》（5001一2001）。

2.2 层间隔震

层间隔震是将隔震层设置在建筑物某层柱子和楼板之间以进行结构的地震反应控制。层间隔震可根据结构本身的特点,设置在结构竖向刚度有突变的部位、结构形式有变化的部位,或结构的一层顶、中间层、和顶层等。在隔震层下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触,因此它不存在基础隔震建筑的底部体积和墙体数量问题,但隔震层以下的楼层需要做抗震处理。

隔震装置布置和选取的一般原则为:隔震层具有适当的水平刚度，在强风作用下,隔震层具有足够的初始刚度，在较大地震作用时，产生柔性变形,能大大减小水平地震作用；隔震层的水平刚度中心宜与上部结构的质心基本一致； 隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力，在发生大震时,可安全稳定地支撑建筑物,不会出现失稳破坏； 隔震装置具有良好的自动复位功能,当发生余震时，可继续有效发挥隔震作用；隔震装置具有较大的竖向刚度，在设计竖向荷载作用下，竖向位移被控制在允许值以下；隔震装置的刚度和阻尼具有较好的稳定性,在可能出现的荷载和温度范围以内,其变化较小。

2.3 隔震支座

隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座等 。天然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小，而水平刚度较小，且线性性能好。由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。

铅芯隔震橡胶支座由新西兰的ROBINSON及其公司最早研制开发，以后在中国、日本、美国、意大利等国家都得到了较大的发展与应用。因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到广泛欢迎。

3 隔震与抗震的比较

隔震系统增大了结构柔度因而使结构自振周期增大。减小了结构的地震加速度反应。阻尼的增大会遏制位移的过度增大。采用滞变（或粘滞）隔震器隔震的许多概念与传统的控制破坏方法（承载力设计）概念类似。在隔震法和承载力设计方法中，都设计了专门选择的延性部件来承受屈服后若干次反复循环荷载的作用，屈服水平选择成使传递到结构其他部件的力局限于弹性或低延性范围。抗震设计的传递路径不是很明确的，而隔震结构的引导是明确的 。

图2 地震动传递系数与频率比

隔震是新的抗震方法，它旨在依靠限制而非抵抗地震作用来保护结构不受地震破坏。常规的抗震设计方法是使结构具有足够的强度、变形能力和消能能力，以抵御地震作用力，而结构的峰值加速度反应通常大于地面运动的峰值加速度。隔震限制了地震作用力，因为柔性基础使结构与水平地面运动在很大程度上解除了耦联关系，结构的反应加速度一般要比地面加速度小。阻尼装置消耗了输入地震动的能量，使传递到隔震结构上的作用力进一步减小。

[1] 日本建筑学会编.《隔震结构设计》.刘文光译.北京：地震出版社，2006.

[2]倪国葳，赵亚敏，苏幼坡．框架隔震建筑设计方法及应用[J]．世界地震工程，2005，21(4)：113-118．

[3]田其丰．框架结构橡胶垫基础隔震系统研究[D]．西北工业大学，2004．

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1007-6344（2016）04-0089-01