建筑结构设计与隔震技术应用研究

王静

摘 要：本文以建筑结构设计与隔震技术应用为研究视角，分析我国在建筑领域防御地震方面经历的主要阶段，通过目前建筑结构设计具有隔震工程的应用案例分析，提出建筑结构设计与隔震技术的实现路径及方法，研究成果将形成建筑业的核心技术，从而形成建筑业的核心竞争力，有利于建筑业进一步开拓与巩固市场，具有良好市场前景。

关键词：建筑结构设计；隔震技术；应用分析；实现路径

中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1672-8122（2016）11-0155-04

一、引 言

地震是一种不可抗力，属于自然世界中难预测、难预防与难控制的破坏性活动（如表1、图1所示）。地震防御技术与防震减震技术的发展受到动力学与经济成本的双重制约与相互促进。建国初期，地震设防标准低，人员伤亡损失也大，但是基于薄弱的经济基础，其震害损失总额不大，但是对人们的生产生活影响重大；近年来经济得到了飞速发展，但是抗震设防水平在西部山区和丘陵地区得到的普及也较少，汶川地震带给我们巨大的灾难，使我们认识到地震对居住载体危害是巨大的，影响是深远的。

我国在建筑领域防御地震方面经历了三个主要的阶段：首先是抗震设计，这也是目前国内规范的主流，主张增加截面刚度，以自身的抗力来抵抗地震力，消耗了大量的建筑工程材料，增加了能源与资源消耗，代价高昂（如图2所示）；随着人们对地震作用影响机理的认识，隔震结构的发展主张“以柔克刚”，通过增加结构自振周期，使其自振频率远离共振区，降低震动扩大系数，减小地震的危害（如图3所示）；第三个阶段也就是目前正在研究的智能制震阶段，其手段依赖高智能材料和智能传感网络，造价高昂，需要国民经济发展到一定阶段再进行论证使用。

隔震技术在日本、美国应用广泛，我国目前走在前列的省份当属云南。1999年云南建设厅发文批示鼓励橡胶隔振器，在既有高烈度区域的使用占比高于10%，该批文重点考虑了地震的危害性与当前国民经济的发展水平，认为使用隔震技术可以在大体量的结构中可以降低总体使用造价。

根据隔震的机理与隔震层的布设位置，隔震分为基础隔震和层间隔震两种，前者具有普遍的适应性，后者则多用于底部大空间、裙楼和主楼连接紧密、沿海、山区等建筑结构，其布设可以降低高耸结构的“鞭梢效应”，增强减震能力。例如：2013年4月20日四川雅安发生7.0级地震以后，采用地基“弹簧缓冲”的隔震技术修建的芦山县人民医院外观完整且受损较小引起人们关注。

通过本文的研究，对建筑公司内部承接高烈度设防建筑进行设计施工双优化，节约建筑用材，减少碳排放，提高建筑结构防震性能，增大设计自由度，节约施工成本，提高建设工程的投资/效益比。

二、目前建筑结构设计具有隔震工程的应用案例

1.昆明新机场

昆明机场结构长度1120m，宽度855m，单层建筑面积18万m2。前中心区长324m，宽256m，混凝土及钢结构都未设置变形缝。航站楼屋面钢结构划分为7段，设置6道变形缝，最大长度达392m。

昆明新机场隔震采用1810个直径达1000mm的隔震支座，同时采用长度达4.8m的粘滞阻尼器，组合采用了隔震加粘滞阻尼技术。隔震建筑长324m，宽260m，单层面积达8万m2。中国建筑第八工程局有限公司通过施工昆明新机场，研究和开发了机场类建筑隔震施工技术，包括：

（1）橡胶隔震支座安装施工技术；

（2）橡胶隔震支座更换施工技术；

（3）隔震建筑与周边建筑及管线的处理；

（4）隔震支座变形监测技术；

（5）粘滞阻尼器安装施工技术；

（6）超长、超大混凝土无缝结构隔震工程施工技术。

2.上海友缘绿化建设工程

本工程抗震设防烈度为9度，设计基本地震加速度为0.4g，场地类别IV类，设计场地特征周期0.9s.采用隔震、减震设计，采用隔震、减震措施后，结构可按7度设防，设计基本地震加速度为0.15g。本工程的隔震部件由三部分组成弹性滑板支座、橡胶支座以及粘滞阻尼器；设置弹性橡胶支座（32个）、弹性滑板支座（120个）、黏滞阻尼器（30个）。其中弹性滑板支座只承受竖向力，橡胶支座提供水平初始刚度，不受竖向力，阻尼器起耗能和缓冲器作用。

3.玉树州红旗小学消能减震

玉树州红旗小学属灾后重建项目，项目地址位于青海省玉树州结古镇民主路，总建筑面积13127.9m2，其中教学综合楼建筑面积12161.88m2，地上四层，主体为框架结构，抗震设防烈度为7度。教学综合楼共采用12根屈曲约束支撑，分布于2个柱间，设置层数为第1～3层。在设置屈曲约束支撑位置处的框架梁和框架柱处设有预埋件和钢连接节点。钢结构梁、柱位置处预留的连接节点与屈曲约束支撑现场焊接连接，焊缝为对接焊缝，焊缝质量等级为二级，现场采用焊条电弧焊焊接方式。

4.中国博览会会展综合体项目（北块）施工总承包

中国博览会会展综合体项目（北块）北至崧泽高架、南至规划盈港东路、西至诸光路、东至规划涞港路，施工总承包（二标段）工程建筑面积60万平米，占地面积85.6公顷。钢结构、幕墙、电梯工程、精装修工程等。

C1区屋盖钢结构为多跨连续三角形空间管桁架结构，宽270m，长338m，标高范围为32.579m～42.000m。主结构由横向主桁架及纵向连系桁架组成，在上弦平面布置柔性支撑与檩条相结合的支撑系统。屋盖支撑柱为混凝土柱，共80个，通过抗震支座支撑屋盖钢结构，抗震支座由滑动支座、橡胶支座、粘滞阻尼器组合而成。C1区屋盖钢结构示意图见图13。

三、 建筑结构设计与隔震技术的实现路径及方法

1.实现路径

（1）隔震研究方向属于结构动力学的更高层次的分支，该学科较为复杂，需要防灾减灾与防护工程专业人才的支持与支撑，与施工企业一起，完成理论与实践结合的目标。

（2）需要与在技术研究领域有多年研究经验的教授合作，进行耗费较大的动力试验，主要是振动台试验和MTS耗能原件滞回性能试验，其耗资较大，试验模型的建立、振动传感网络的搭设颇费时间与金钱。

（3）由于房屋建筑结构体系多样性强，对于混凝土框架和普通剪力墙结构的试验和分析和对于钢结构的分析需要试验-仿真双重模拟，需要投入大量的人力专门专项，分头同步进行研究。

（4）如何寻找一种普遍适应性的经济学模型去分析隔震设置前后经济效益的成本对比情况，需要具有一定施工经验的人参与进来进行评估。

（5）不同类型的隔震器选型与布置对于不同类型地震波的敏感性不同，如何综合评价一个隔震体系的优劣需要建立一个相应的标准。

2.实现方法

（1）施工单位开展隔震研究，主要是把近几年的隔震施工技术成果进行分析总结，完成设计优化、与施工优化的分析，能够使得隔震设备在地震下更好地发挥效能，救灾减灾，保护人们生命财产安全。

（2）通过开展既有隔震建筑加固改造，对近年来地震预测区的既有重要建筑进行改造示范，优化设计、便捷快速施工，形成既有建筑抗震能力的提升。

（3）对高烈度区而言，隔震的效果会更好，能够减小抗震构件的尺寸和含钢率，从而降低经济投入，节约工程总体造价。

（4）预制装配式建筑的震害比较厉害，也是唐山震害后一直没有复兴的主要原因，通过研究与预制装配式建筑相适应的隔震技术，减小预制构件的尺寸和含钢率，增加预制构件的震害生存指标。

四、结 语

研究成果可以推广应用到房屋建筑领域，可降低地震动对结构的内力与振幅、降低地震危害，减少次生灾害的发生。该技术可以在同样抗震设防标准前提下降低既有建筑结构的构件尺寸与配筋率，降低工程造价，减小工程风险，保护人民群众的生命安全和生产生活物资安全，其经济与社会效益十分显著。该研究成果将形成建筑业的核心技术，从而形成建筑业的核心竞争力，有利于建筑业进一步开拓与巩固市场，具有良好的市场前景。

参考文献：

[1] 曾得民.橡胶隔震支座的刚度特征与隔震建筑的性能实验研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2013.

[2] 建筑结构荷载规范（GB50009-2001（2006 版））.北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3] 建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）.北京：中国建筑工业出版社，2014 .

[4] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2014.

[5] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社，2013：49-56、141-1472.

[6] 日本免震构造协会编.叶列平译.图解隔震结构入门[M].北京：科学出版社，2014.

[7] 周云.隔震结构设计、应用与发展[J].华南建设学报，2015（10）.

[8] 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，2001：94-101.

[9] James M.Kelly.The Current State of Base Isolation in the United States.Proceedings of thesecond World Conference Oil Structural Control，2011： Kyoto，Japan， p.1043-10520.

[10] Vulcano，Alfonso.Comparative study of tire earthquake and wind dynamic responses ofbase—isolated buildings.Journal of Wing Engineering and Industrial Aerodynamics.V01.74-76，April I，2013，p 751-7640.

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