层间隔震结构技术原理及应用

赵熹　孙小童　余楠

摘 要：层间隔震是基础隔震的延伸，它的出现扩大了隔震技术的应用范围，虽然只是将隔震层从基础上移，但是隔震机理已发生变化。本文介紹了层间隔震体系的类型和应用范围，探讨了对层间隔震进行参数分析时应采用的力学模型，并对影响层间隔震建筑减震效果的因素进行分析。

关键词：隔震；层间隔震；阻尼比；频率比

1引言

隔震技术之所以能减少地震力的作用，是因为隔震层延长了整个结构的自振周期，使之远离地震动的卓越周期，隔震结构经过几十年的发展，理论计算方法及施工工艺都趋于成熟，且在工程中已得到大量应用及验证，是建筑抗震一种行之有效的新手段。但隔震技术不是万能的，隔震结构在应用上仍然有一定局限性，例如高宽比较大或处于软弱地基上的建筑，采用基础隔震易造成整栋建筑倾覆或减震效果不明显。层间隔震技术是在基础隔震上发展起来的一种新的隔震体系，和基础隔震不同，它将隔震层设置在建筑的柱子和楼板之间，进行结构地震反应控制，虽然只是将隔震层从基础上移，但是隔震机理已发生变化。

2层间隔震体系的类型和应用

根据隔震层位置不的不同，层间隔震有多种形式。如图1，一种是将隔震层设置在结构一层，减震机理类似于基础隔震，不同之处在于可视外界条件来确定是否设置隔震缝；一种是将隔震层设置在中间层，称为中间层隔震；还有一种类似于TMD系统，不同之处是将TMD中的阻尼器用橡胶隔震垫来代替，用顶层楼板或隔热层作为TMD的质量块，这种隔震体系称为屋顶隔震，以上几种使用的制震装置都是橡胶隔震垫，只是位置不同，故统称为层间隔震结构。

层间隔震结构最早应用于旧房改造中，由此发展，如今在多项工程领域中都有应用，它可以克服基础隔震的某些缺陷，如近海建筑若采用基础隔震，海水涨落潮会对橡胶隔震支座造成侵蚀；层间隔震施工时无需像基础隔震一样设置水平隔震缝，减少施工难度、节约工期；在地形复杂的坡地或大底盘塔楼结构这些难以使用基础隔震的情况下仍可采用层间隔震来达到减震目的；某些放置有精密仪器或古董的楼层可以采用层间隔震保证地震时设备不被破坏，由此可见，层间隔震是隔震技术的延伸，具有广阔的发展潜力。2014年，张尚荣、谭平等对某框架结构进行分析提出了一种基于性能的层间隔震结构抗震性能易损性的分析方法。2004年，日本Ming H.U，Hongjun S.I等对移动9层房屋进行了隔震加固，加固后该房屋结构的基本周期由0.4s变为2.7s，上部结构表现为整体平动，下部结构剪力、位移也显著降低。日本Sueoka等对Sumitomo大楼进行了层间隔震设计，该大楼是当今世界上最高的层间隔震建筑，其由下部11层和上部14层组成，分析结果表明，采取层间隔震后，该结构主要受第2和第3震型影响，隔震支座的性能与上、下部结构的刚度共同影响建筑物的振型。

3层间隔震体系的力学模型

目前，在层间隔震结构的设计与研究中，采用的计算模型主要有一下三种：

（1）两质点模型 将隔震层上部（含隔震层）结构和隔震层下部结构分别简化成一个质点，对于图1中的屋顶层隔震来说，隔震层上部所承受的质量较小，所以假定为一个单一质点是合理的，对于图1中的底层隔震或中间层隔震来讲，由于隔震层的水平刚度相对于上部结构的层间刚度要小很多，遭遇地震时，上部结构接近整体平动状态，所以这一假设也是合理的。

（2）三质点模型 将隔震层上部结构、隔震层及隔震层下部结构分别简化为一个质点即为三质点计模型，与双质点模型相比，三质点模型将隔震层单独作为一个质点考虑，这对于分析隔震层的动力特性是有帮助的。

（3）多质点模型 将结构每一层当做一个质点，即为多质点模型，这种模型能比较为准确地反应层结构各层的动力反应，但计算耗时较多，适用于对某个具体工程的设计和时程分析。

对于双质点模型，如图2，地震时，结构水平变形绝大部分集中在隔震层上，这种模型形式简单，计算快捷，且突出了层间隔震结构的主要影响参数，较适合对层间隔震结构进行参数分析，故本文以双质点模型为例，在线弹性情况下，给出振动方程：

4结语

层间隔震的主要目的是尽量减少地震时输入上部结构的能量，减小结构的绝对加速度来削弱地震时的震感，同时还要保证下部结构的层间位移不能太大，防止房屋破坏，因而需要对影响隔震效果的参数（频率比、质量比、阻尼比等）进行分析，使制震效果尽可能达到最优。层间隔震结构的减震效果一般与隔震层的阻尼比有关，阻尼越大，减震效果越好，且合理的结构频率比能使层间隔震结构上层加速度均方值和下层位移均方值都较小，从而取得良好的隔震效果。

参考文献：

[1] 张尚荣，谭平，杜永峰，等. 基于响应面法的层间隔震结构地震易损性分析[J]. 振动与冲击，2014.

[2] Ming H.U，Hongjun.SI，Kangaing LI，et al.Earthquake Reaponse Analysis of a Mid-STORY Ssismic Isolated Building[C].1 3m WCEE，Vancouver Canada，Paper No.1456.2004.

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[4] 祁皑，林云腾，郑国琛.层间隔震结构工作机理研究[J].地震工程与工程振动.2006.