隔震建筑的抗震性能及应用前景分析

毛俊卿 刘 鸿

青岛爱博瑞隔振技术有限公司

隔震建筑的抗震性能及应用前景分析

毛俊卿 刘 鸿

青岛爱博瑞隔振技术有限公司

本文对隔震理论发展进行了阐述，对隔震结构与非隔震结构进行了有限元分析，得出了隔震结构的地震反应特点，并阐述了其局限性和未来应用前景。

抗震；隔震；橡胶支座；有限元

1 建筑抗震设计方法发展简况

地震给人类的生产生活带来巨大的灾难，如何减轻地震灾害是世界各国长期以来的重要课题。20世纪之前的建筑几乎没有进行专门的抗震设计，经历多次大地震之后，人们才开始意识到建筑抗震的重要性，抗震设计理论与实践才开始得以发展。

早期的抗震思路着重于抵抗惯性力，使建筑物不致因强度不足而损坏，这种方法设计的建筑物，在地震中大部分出现不同程度的损坏、倒塌。人们重新意识到，抗震设计不是单纯的抵抗地震力就可以解决问题了。抗震理论的第二阶段着重于减小建筑物的地震反应并增强结构屈服后的承载及变形能力，即提高建筑的韧性，如我国抗震规范中提供的三水准、两阶段的设计方法。经历次地震检验，仍有大量的房屋在地震中损毁严重、倒塌，造成巨大损失。

08年汶川大地震的发生造成了生命财产的巨大损失，使国内学者和设计界开始重新审视既有抗震设计方法的缺陷，探索并实践新的抗震设计方法。抗震设计方法进入第三阶段---隔震与消能减震设计。建筑隔震概念最早于1891由日本学者河合浩藏提出，其后陆续有学者提出其他的隔震模型。早期隔震概念虽然清晰，但是限于当时的技术条件，并未得到很好的发展和实践。随着地震工程理论的逐步发展和大量实际地震数据的积累，人们开始着手研究并实践隔震设计理论。

目前，较为成熟的建筑隔震技术包括：叠层橡胶支座隔震、摩擦摆隔震、混凝土短柱支座隔震等，其中叠层橡胶支座隔震技术应用最为普遍。1974年世界首栋隔震建筑在新西兰建成;1983年日本第一座叠层橡胶支座隔震建筑---东京八千代台住宅建成，我国1993年在汕头建成首幢橡胶垫隔震建筑。

2 隔震建筑与非隔震建筑的地震反应特点

为了探究隔震建筑在地震作用下的反应特点，使用SAP2000计算程序建立了两个有限元结构模型（模型A为隔震方案，模型B为普通方案），采用相同的分析方法进行计算并对结果进行分析。

2.1 结构模型概况

模型A为隔震方案，模型B为普通方案，两个模型的结构和构件尺寸、配筋情况均相同，共两层，层高均为3m，X向3跨，Y向2跨，柱跨均为6mX6m，框架柱尺寸为450mmX450mm，纵筋8根18mm，箍筋8@100/200，，梁尺寸为300mmX600mm，上下纵筋配筋分别为4根18 mm和3根18 mm，箍筋8@100/200，均为HRB400。采用时程分析方法进行分析，地震波选用CORRALIT波，X向修正后加速度峰值为247gal（略大于抗震规范中8度设防地表加速度）。(如图所示)

模型A隔震支座采用Rubber Isolator连接单元进行模拟，水平两个方向刚度均为1000KN/m，采用直接积分法进行计算。计算完成后，选择顶部节点生成加速度时程曲线和隔震支座节点生成位移时程曲线，并查看基底剪力。结构反应数据如下：结构顶点最大加速度反应为37.1gal，与地面加速度峰值比值为0.15，支座水平位移最大值为10.2cm，基底X向剪力最大值为138KN。

模型B为非隔震设计。为便于对比分析，同模型A一样采用非线性时程分析法进行计算。计算完成后，选择顶部节点生成加速度时程曲线和隔震支座节点生成位移时程曲线，并查看基底剪力。结构反应数据如下：结构顶点最大加速度反应为257.9gal，与地面加速度峰值比值为1.044。查看框架变形图：显示在0.85s时，基底X向剪力最大值为577KN，此时31号梁中间支座已经出现塑性铰，到0.85s时，另一端也出现塑性铰。两个模型的结构反应数据详下表：

表A地震作用下结构反应峰值

由表A可知，在地震作用下，隔震结构的加速度及绝对惯性力较非隔震结构大幅降低，非隔震结构的基底剪力为隔震结构的4.232倍，这也可以解释为何隔震结构在强震作用下没有出现任何损伤。既有案例表明，某些烈度较小的场地内，隔震建筑物内的居民甚至感受不到地震发生。值得注意的是，隔震结构中其橡胶支座的水平位移非常大（本例达到10.2cm），对支座水平剪切变形性能要求非常高。

3 隔震建筑的局限性及应用前景

尽管隔震建筑在抗震性能方面有较大优势，但在国内并未得到很好的推广应用，其主要问题在于以下两方面：一是需要专门设置一层隔震层，既增加了造价，又影响建筑方案效果。二是隔震支座在高层建筑及低烈度区中其应用效果不明显，而目前住宅项目又以高层板式住宅居多。因此，目前隔震建筑多应用于高烈度区的学校、医院等公建，在大规模的住宅项目中难以推广应用。

目前我国建筑业正在大力推行产业化模式，鉴于装配式结构（尤其是混凝土结构）抗震性能一般来说较差，且目前国内的建筑产业技术水平较发达国家仍有一定差距，笔者认为可以通过设置隔震支座来改善这类结构的抗震性能，这对于减轻未来可能发生地震灾害是有益的。