基础隔震技术在房屋建设中的应用研究★

于 有 川

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

基础隔震技术在房屋建设中的应用研究★

于 有 川

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

阐述了基础隔震原理和基础隔震设备应具有的特性，介绍了橡胶隔震支座、滑动隔震支座和混合隔震支座的特点，分析了建筑中应用基础隔震技术的设计方法、经济效益及技术优势，指出基础隔震技术在建筑中应用需大力推广。

建筑结构，基础隔震原理，隔震支座，经济效益

0 引言

地震的发生具有很强的不确定性，根据目前的技术手段，人们很难预测地震发生的时间、地点和地震的等级。传统建筑主要依靠建筑自身的刚度来抵抗外力的破坏作用，不具有自我调节和实时控制的能力，其在小的地震力作用下，建筑能够通过本身结构的整体性抵御地震力而保持建筑的稳定性，不至于造成人员及生命财产的损失；而遇到稍微大的地震力作用时，建筑结构就会发生塑性变形和结构构件的损坏而造成人员和财产的损失。

为了维护建筑的完整性，保护人们的生命和财产安全，就需要对建筑进行改造，使其能够抵御地震力的破坏或通过技术手段减弱传到建筑上的地震力，隔震技术就在这种理念下产生且慢慢发展，隔震技术以其显著的减震效果和良好的经济适用性，已经得到工程和学术界的普遍认可[1]。国内许多学者进行了卓有成效的探索与研究[2-4]。本文将综述隔震相关知识，并以某建筑为例，从建筑的隔震设计和采用隔震建筑的经济方面进行分析，以供参考。

1 基础隔震原理

基础隔震是将建筑的上部结构与基础应用隔震系统连接，通过隔震系统减弱地震力对上部结构的能量输入，减少上部结构对地震的反应，保证上部结构的稳定。基础隔震的简化计算简图如图1所示，隔震的加速度反应谱和位移反应谱如图2所示。

通过对反应谱的分析可知，为了减弱地震力的破坏，保证上部结构的稳定性，需要进行隔震的途径主要有两种:1)延长结构的自振周期，使自振周期远离场地土的卓越周期和地震的周期，以免产生共振现象，从而有效的减少地震对建筑的破坏。2)增加隔震支座的阻尼，最大限度的吸收地震波的能量，减少地震波对上部结构的能量输入，保证上部建筑结构的稳定。

2 基础隔震设备特性

为了减弱地震力的破坏，保证建筑上部结构的稳定性，建筑的隔震装置具有以下特性：1)具有足够大的竖向承载力和竖向刚度，能够支撑起上部结构的重量，保证上部结构在使用过程中的安全和稳定性。2)要有足够的水平刚度，使上部结构在地震力的作用下产生的平动周期能够有效的避免建筑的自振周期和场地的卓越周期。3)要有适当的变形能力，隔震设备要储备一定的变形，当地震发生时，隔震系统通过自身变形来消耗地震能量，保证上部结构不会出现失稳的情况。4)要有复位特性，地震发生时，隔震设备通过变形消耗地震的能量，地震结束后，隔震设备能够恢复到原来的状态，以预防地震下一次的发生。5)具有耐久性，隔震设备的应用要有足够的使用年限，具有防止被腐蚀等特性，使上部建筑一直处于安全状态中。6)隔震设备的构造应符合施工的条件，方便建筑的施工安装。

3 基础隔震装置

3.1 橡胶隔震支座

1)天然橡胶隔震支座。天然橡胶隔震支座是由薄橡胶层和薄钢板层交互叠置，经高温、加压并硫化制作而成。天然橡胶隔震支座的特性：a.橡胶层与钢板层粘结成为一个整体，钢板的刚度限制了橡胶层在竖向压力作用下的横向变形；b.在橡胶隔震层相同的情况下，橡胶单层的厚度决定了橡胶的竖向刚度；c.天然橡胶支座具有良好的耐久性，在使用10年后，橡胶仍完好。

2)铅芯橡胶隔震支座。铅芯橡胶隔震支座是在天然橡胶隔震支座的中心或非中心加入铅芯制作而成的具有良好耗能能力的隔震支座。铅是一种具有良好塑性变形能力和吸收能量的金属，将铅加入橡胶之中，能够将橡胶的安定复原装置和铅的能量吸收结合起来，成为结构构造简单、性价比高的隔震支座。铅芯橡胶隔震支座具有的性能：a.与天然橡胶相比，铅芯橡胶隔震支座的拉伸刚度较低，约为压缩刚度的1/7～1/10；b.水平变形稳定，由于铅芯的存在，能够限制隔震支座的水平变形，铅芯隔震支座的水平变形要比天然隔震支座的水平变形小；c.铅芯橡胶隔震支座的工作特点是通过铅芯的大小来调整阻尼的大小；d.与天然橡胶一致，铅芯橡胶隔震支座在使用100年后，橡胶依然完好，并且在使用10年后，铅芯橡胶隔震支座的性能基本保持不变；e.在剪切变形为250%时能表现出稳定的双线滞回特性。

3)高阻尼橡胶隔震支座。高阻尼隔震橡胶支座是在天然橡胶中添加各种配合料来增加橡胶的滞后损失，降低橡胶的存储模量等来提高橡胶阻尼性能的一种隔震装置。高阻尼橡胶隔震支座具有的性能：a.与天然橡胶隔震支座一样，有良好的蠕变能力；b.能在不同的气候地区应用；c.耐久性能良好，实验研究表明高阻尼橡胶隔震支座在应用50年后，其等效阻尼比降低不到2%；d.维护成本低，大地震后恢复能力良好，无需更换。橡胶隔震支座示意图见图3。

3.2 滑动隔震支座

滑动隔震支座是在隔震层设置具有滑动材料的隔震支座，通过隔震支座减弱地震力对上部结构的影响，保护上部结构的安全稳定。滑动隔震支座的动力学特性：在地震前，隔震支座的整个系统的自振周期与建筑物的振动周期相同，一旦地震开始滑动后，整个系统的振动周期无穷大，能使隔震系统有效的避开地震波产生的共振效应。

3.3 混合隔震支座

混合隔震支座是由橡胶隔震支座和滑动隔震支座组成的隔震支座。其中，橡胶支座具有较强的恢复刚度，可以使震后的隔震系统恢复到原来的位置；滑动支座具有良好的耗能能力和较大的阻尼，能减小地震对上部结构的能量传递，保护上部结构的稳定。混合隔震支座具有两个自振周期：在地震之前的未滑动阶段，其自振周期为结构自振周期，地震发生后的滑动阶段，其自振周期为橡胶隔震支座的隔震结构周期。在建筑中应用混合隔震支座能够达到安全、经济、有效的要求。

4 工程实例

工程概况：某工程建设项目，地上建筑为5层，其中建筑的每楼层的高皆为3.2 m，建筑地上总的高度为16 m，建筑的上部结构为全现浇钢筋混凝土框架结构，楼盖为普通梁板体系。建筑采用将隔震支座设置于基础顶部的隔震装置，此建筑为丙类建筑，设防烈度为8度，设计的基本加速度0.15g，场地类别Ⅱ类，地震分组第一组，不考虑近场影响。

4.1 基础隔震设计计算

本工程适合采用建筑隔震的规定，隔震层设在基础顶部，橡胶隔震支座设置在受力较大的位置，橡胶隔震支座的规格参数、在建筑中应用的数量以及分布情况，橡胶隔震支座的竖向承载力、阻尼的大小以及刚度等要求应根据规范[5]通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应保持稳定，应具有较强的变形能力和恢复力，保证隔震系统能够继续抵御地震力的作用。计算简图如图4所示。

确定目标水平向减震系数为0.50，进行上部结构的设计，并计算出每个支座上的轴向力，经过计算建筑的中柱柱座的轴力为1 046.39 kN，边柱柱座的轴力为1 034.02 kN。根据抗震设计规范要求，丙类建筑隔震支座平均应力限值不应大于15 MPa，据此确定每个支座的规格参数，根据承载力确定支座的数量及分布情况，基于本案例布置铅芯橡胶隔振支座，总共布置了44个隔震支座，其中隔震支座的型号及参数如表1所示。

表1 隔震支座参数

型号设计承载力/kN竖向刚度kN/mm水平刚度/kN·mm-1等效阻尼γ=50%γ=250%γ=50%γ=250%GZY400188416792.0921.2160.2920.131

对上部结构进行计算，计算的结果如表2所示。

表2 上部结构层间位移角

上部结构满足抗震规范设计[5]的要求。

4.2 应用基础隔震技术的经济效益分析

本工程实例采用了44个GZY400铅芯橡胶隔震支座，按照每个隔震支座的价格2 600元计算，则可计算得用于该工程的总的隔震支座的费用为114 400元，建筑的地上建筑总面积为3 276 m2，则可得应用隔震设备后每平方米增加的费用约为35元。

以上的分析是仅仅考虑增加隔震设备的费用，还有人工费、机械使用费、增加使用混凝土的费用以及隔震设备的维护费用等等，但是，运营商利用隔震技术在宣传和利润等方面获得收益肯定远远大于在建筑上利用隔震技术所进行的投入。据统计，在应用隔震技术后，由于上部结构措施简化，即使隔震层及以下的结构构造措施使费用有所增加，但是对整个工程而言，结果表明总的土建造价仍减少5%左右[6]；多层的隔震房屋比传统抗震房屋节省的土建造价：7度节省1%～3%，8度的节省5%～15%，9度的节省10%～20%[7]；应用隔震技术在建筑建设的前期投入可能高于传统的建筑建设，但从建筑的全寿命周期分析，建筑中应用隔震技术还是具有较好的经济效益[8]。因此，无论是从安全角度还是从经济效益方面，采用基础隔震技术均有较大的优势。

5 结语

我国处于三大板块交界处，是地震多发地带，人们越来越关注建筑在抵抗地震方面的能力。本文研究了基础隔震技术在新农村建设方面的应用，在结构安全方面：隔震技术能够减弱地震力对上部结构产生的地震作用，保持上部结构的稳定，保护人们生命和财产的安全；在经济效益方面：在建筑上应用隔震技术，不仅能够降低土建总成本，还会使开发商获得更大利润。

在建筑上应用隔震技术具有很好的成效，是减轻地震灾害一条有效的、合理的、安全的途径，但是，隔震技术的应用不是十分普遍，需要行业从业者的大力推广和应用。

[1] 邵 静，姚 菲，徐玉华.隔震支座技术的研究综述[J].四川建筑科学研究，2014，40(3):176-179.

[2] 陈道政，赵杉杉，陈 锐.隔震技术在某体育馆加固工程中的应用与分析[J].工程抗震与加固改造，2016，38(2):133-138.

[3] 尚守平,崔向龙.基础隔震研究与应用的新进展及问题[J].

广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1):21-28.

[4] 张 鸣,周 磊,陈令坤,等.近断层地震对基础隔震结构动力响应[J].四川建筑科学研究，2016，42(5):62-67.

[5] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[6] 陈仁朝.隔震技术在某住宅中的应用[J].福建建设科技，2012(1):30-32，72.

[7] 葛 鹏.我国住宅中隔震技术的应用[J].建筑技术，2005(7):493-495.

[8] 马玉宏,赵桂峰,谭 平,等.基础隔震结构全寿命费用研究[J].地震工程与工程振动，2012，32(5):178-185.

Application of base isolated technology in the construction★

Yu Youchuan

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Illustrates the theory of reduce seismic response and features of seismic isolation equipment, introduces the rubber isolation bearing and sliding isolation bearings and hybrid isolation bearings, analyzes the application in architectural design, economic benefits and advantages of base isolation technology, points out the base isolation technology is not very widely used in construction, should be promoted and applied.

architecture construction, base isolation principle, isolation bearing, economic benefits

1009-6825(2017)02-0052-03

2016-11-03★：东北林业大学国家级创新项目(项目编号：201610225059)

于有川(1996- )，男，在读本科生

TU352.1

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