建筑结构设计中隔震减震措施的实现及应用

王丁丁

中国中元国际工程有限公司 北京 100089

随着隔震减震技术研究的深入以及实际工程积攒了大量的宝贵经验，建筑结构设计中隔震减震方案更加合理、更加先进，对保障人民的财产安全做出了重要的贡献。

1 建筑结构设计中采用隔震减震措施的意义

随着人民对建筑安全的重视程度与生活水平的提高，为了防止建筑遭遇地震后中断重要的使用功能，避免人员伤亡及次生灾害，减少经济损失和社会，2021年国务院颁布了《建设工程抗震管理条例》，从规章制度层面鼓励推广隔震减震技术。《条例》中第十六条要求：位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、医院、儿童福利机构、幼儿园等建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。并且国家鼓励在除前款规定以外的建设工程中采用隔震减震等技术，提高抗震性能[1]。

在建筑结构设计中，采用隔震减震技术能够有效降低地震作用对建筑物的破坏，通过这种方式可以充分提升建筑物的抗震性能，大幅度提升建筑物的安全性，使人身安全和财产得到保障，因此越来越多的建筑在结构设计环节使用隔震减震技术。隔震减震措施在当今时代背景下已经成为建筑结构设计的重要手段。

2 建筑结构设计中隔震减震的实现方式

2.1 隔震设计方式

隔震设计指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。

隔震结构中的隔震支座分为以下三类：第一类是叠层橡胶隔震支座；第二类是摩擦摆隔震支座；第三类是弹性滑板隔震支座；其中叠层橡胶隔震支座又有以下3种类型：即天然橡胶隔震支座(LNR)、高阻尼橡胶隔震支座（HDR）和铅芯橡胶隔震支座（LRB)。

隔震设计时较为常见的隔震支座是天然橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座。天然橡胶支座由天然橡胶片或氯丁二烯橡胶片与钢板经高温硫化黏结而成，支座受压时，橡胶会向外侧变形，但由于受到内部钢板的约束，以及考虑到橡胶材料的非压缩性，橡胶层中心会形成三向受压状态，其压缩时的竖向变形量很小，而橡胶支座剪切变形时，钢板不会约束剪切变形，橡胶层可以发挥自身柔软的水平特性，从而通过自身较大的水平变形隔断水平地震作用，同时还能抑制结构的高阶反应。天然橡胶支座不提供阻尼，罕遇地震时隔震支座位移较大，实际工程中须与其它隔震支座或阻尼器联合使用。

由于天然橡胶隔震支座的钢板可以约束橡胶的竖向变形但对其水平变形没有影响，在水平风荷载比较大的情况下有可能就会发生比较大的水平位移，影响建筑物的正常使用[2]。于是在天然橡胶支座中间开孔压入铅芯构成铅芯橡胶隔震支座。由于铅是一种具有良好塑性变形能力和能量吸收能力的金属，铅芯橡胶隔震支座不仅有较高的阻尼比，而且水平性能相对稳定，还有一定的初始刚度，可以提高建筑的抗风能力，因此铅芯橡胶隔震支座兼有天然橡胶隔震支座和阻尼器的作用。

设计中常见的隔震方式主要有以下几类：

一是基础隔震。基础隔震指的是将隔震层设置在基础和上部结构之间，根据隔震层与室外标高关系以及是否有使用功能，隔震层可设置在地面以上也可设置在地面以下。

二是地下室顶板隔震。隔震层设置在地下室顶板和上部结构之间，隔震层层高由隔震层是否具有使用功能来确定。隔震层作为停车库、设备用房等有使用功能时，应根据消防要求对隔震支座进行防火处理。对于地下室顶板隔震，通常可分为顶板以上单塔和多塔隔震。

三是层间隔震。层间隔震又称为中间层隔震，指隔震层设置在建筑地上结构的某相邻层之间，比如可设置在裙房的上一层。此时隔震层通常作为检修层，同样需满足隔震层梁底到下层楼面净高宜不小于1.2m。

四是错层隔震。错层隔震是指隔震层不在同一楼层的情况。例如，建筑中核心筒处的电梯井道需自上而下贯通，为确保电梯的正常使用，无法设置隔震缝断开，这时候就需要将电梯核心筒的隔震位置设置在基础，而核心筒之外的其它竖向构件可在地下室顶板或其它位置设置隔震层，形成了错层隔震。

隔震设计时需注意：设计中需要指定隔震层的上、下支墩为关键构件，与上支墩相连的隔震层的主梁可定义为重要水平构件。同时《建筑隔震设计标准》中要求，在进行隔震层下支墩的承载力验算时，需要考虑由隔震层水平变形产生的附加弯矩；错层隔震时，相邻隔震层的层间位移角不应大于1/1000；隔震层的质量中心和刚度中心宜重合，在设防地震作用下的偏心率不宜大于3%。隔震层以上的上部结构与周边任何固定物均应有隔离空隙。水平隔离空隙为30mm，竖向隔离缝（隔震沟）为1.2倍罕遇地震时隔震支座最大水平位移。

隔震层无法隔离竖向地震作用的影响，因此《抗规》有规定，确定隔震层以上结构的抗震措施时，与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低，对于钢筋混凝土结构是指墙、柱轴压比要求。

2.2 减震设计方式

民用建筑中的减震设计一般采用消能减震方式。消能减震设计指在房屋结构中设置消能器，通过消能器的相对变形和相对速度提供附加阻尼比，以消耗输入结构的地震能量，达到预期防震减震要求。

减震结构中的消能器分为以下两类：第一类是速度相关型消能器，第二类是位移相关型消能器。

速度相关型消能器指黏滞消能器和黏弹性消能器等；黏滞消能器只增加结构的阻尼比，不提供刚度（刚度很小），因此对结构周期没有影响，通过增加结构的阻尼比实现减小结构基底剪力和层间位移的效果，有效减少结构反应（位移、速度、加速度）。粘滞阻尼器的布置型式有墙式、斜撑式、K字型等多种型式。

位移相关型消能器指金属屈服消能器和摩擦消能器等，包括屈曲约束支撑（BRB）、软钢剪切消能器、摩擦型消能器、铅消能器等。位移相关型消能器可以有效的增加结构阻尼比，同时增加结构刚度，因此结构设置位移相关型消能器后，结构的周期变短，阻尼比增加。此类消能器对于减小结构的总基底剪力效果有时侯并不显著，但对于控制结构位移效果显著。

在消能减震结构的设计中，需要预先指定消能减震结构所需达到的位移减震目标，进而求出所需的附加阻尼比。消能减震结构之所以能提高建筑抗震性能，阻尼器起了关键作用。如何比较准确的评估阻尼器的减震作用，这是减震结构设计的首要问题。在减震结构设计中，引入附加阻尼比，可以在新的减震设计和传统抗震设计之间建立一座相互连通的桥梁。这样，就能有效地利用熟知的抗震设计方法来解决减震设计中的新问题。减震结构进行强度设计时，可以根据附加阻尼比来考虑阻尼器的作用，从而确定减震后的地震作用减震效果通过减震前后的结构位移、结构地震力来体现[3]。

阻尼器在楼层平面内的布置宜遵循“均匀、分散、对称”的原则。阻尼器竖向布置需通过以下计算过程确定。先对非减震结构进行计算分析，确定层间位移角最大楼层，将阻尼器安装在此楼层处，安装数量根据具体情况而定，然后再对安装了阻尼器的减震结构进行分析，将阻尼器安装到此时减震结构的层间位移角最大楼层，如此循环直到将所有阻尼器安装完毕。而在安装过程中，需要注意的是某一层的阻尼器数量不能太多，当某一层所需的阻尼器过多时，可以将其安装到下面几层中层间位移较大的楼层。计算结果证明阻尼器对其上部临近几层的减震效果要好于下部几层，通过这种方法确定的阻尼器安装位置能起到较好的减震效果，同时阻尼器基本保持沿楼层连续布置。

由于消能减震的设计方式适用性比较强，因此在很多建筑工程项目中都能有效发挥自身价值，而且在对已建成的建筑工程项目进行加固改造时也可采用，赋予其消能减震的性能。同时消能减震措施不仅可以应用于钢筋混凝土结构，也可以在钢结构中发挥良好的作用，提升钢结构的抗震性能。

3 建筑结构设计中采用隔震减震技术的注意事项

3.1 选择合理的建筑结构体型

设计人员进行隔震减震设计工作时首先需要做好建筑体型设计工作，避免成为超限项目。通常情况下，建筑设计师在进行建筑物的体型设计时，仅会注重功能使用需求以及建筑立面的美感，而忽视了结构的体型是否规则，是否具有良好的抗震性能。而从结构设计角度来看，如果建筑物具有不规则的体型，比如平面凹凸不规则，楼板开大洞口导致楼板不连续，竖向构件收进或悬挑，竖向构件上下不连续贯通等，遇到地震时就很容易出现损毁。反之，如设计师将建筑物的体型设计成规则的结构，尽量避免出现上述的不规则情况，遇到地震时受到损毁的概率就会降低。隔震结构宜控制结构高宽比小于4，对于高宽比较大的结构小震下基础不应出现拉应力，并且需进行整体倾覆验算，防止支座压屈。

3.2 准确把握隔震减震设计的要求和特点

确定结构的隔震减震方案时，可根据建筑的抗震设防分类、抗震设防烈度、场地条件、使用功能及建筑方案特点，从安全和经济两方面进行综合分析对比。

例如，某地区的人民医院病房楼项目建筑高度50m，抗震设防烈度为8度，地震基本加速度值为0.2g、建筑抗震设防类别为重点设防类，结构安全等级为一级，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.40s，结构高宽比为2.0，结构形式采用钢筋混凝土框架—剪力墙，抗震等级为剪力墙一级、框架二级。

本工程为医院属于重点设防类，《建筑与市政工程抗震通用规范》第2.3.2条规定：重点设防类应按本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，故应按9度确定结构抗震等级。同时《建筑隔震设计标准》第6.1.3条规定：隔震结构底部剪力比不大于0.5时，上部结构可按本地区设防烈度降低1度确定抗震措施。据此隔震结构控制底部剪力比小于0.5之后，可按8度确定结构抗震等级，减震结构同样有类似规定。

初步方案为采用隔震结构，在地下室顶板设置隔震层。因隔震层增加了一个结构层的建设成本；同时导致基础底标高降低，增加了基坑开挖费用和支护费用；并且隔震层需占用部分建筑面积指标，但因层高较低，无实际使用功能。甲方要求对本项目分别按隔震结构和减震结构设计，然后对比分析计算结果，选取最优结构方案。

经过建模计算，在规范技术方面，本项目病房楼采用减震方案时，最大楼面水平加速度均超过《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》中规定的限值，不能满足此技术导则的要求；建设造价成本方面，隔震结构虽因设置隔震层需增加土方开挖费用及隔震支座费用，但减震结构为满足规范规定的变形及承载力要求，需将墙、柱、梁的构件截面增大较多且配筋较大，导致减震结构的混凝土及钢筋用量都高于隔震结构，并且减震结构需设置型钢子框架增加了型钢费用以及阻尼器费用。建筑适用性方面，减震结构相较隔震结构的墙、柱构件截面增大较多，对建筑使用面积、使用功能及楼层净高同样有较大影响。

经以上几方面的对比，结合本项目的具体情况，最终确定采用隔震设计方案。

设计人员在进行隔震减震设计时首先需要准确把握隔震减震设计的相关政策和规范要求，其次要根据项目的具体情况综合对比分析，这样才能设计出安全、合理、经济的隔震减震建筑。

3.3 隔震建筑中设备专业需采取的措施

隔震建筑不仅需从结构设计角度合理布置隔震支座，满足结构位移、偏心率等要求，同时应与设备专业紧密配合，采取合理的构造措施保证隔震建筑在地震中确保设备管线等不被破坏。

在2022年泸定6.8级地震中，甘孜州燕子沟镇某学校的行政楼，虽然采用了减隔震组合技术，但由于设备专业在设计时未充分考虑隔震措施，在地震时隔震的主楼产生了较大的水平位移，导致与非隔震的配楼之间连接的大量设备管线被拉断、水管破裂，影响了震后的正常使用功能。

在确保主体结构在地震时应安全的同时，需保证震后建筑正常使用功能不受影响，对穿越隔震层的管线应采用相应处理措施：电线在隔震层处留足多余的长度。上下水管、消防管穿越隔震层处应设置柔性段，采用立管的方式，应能保证发生规定的位移。当管道穿越隔震支座标高时，应保证管道及附件与结构的最小距离不小于300mm，当管道有法兰、阀件、支吊架等附属物时，间距按附属物外边缘计算。供回水管道、防排烟风管穿越隔震层时，采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层在罕遇地震作用下对水平位移的要求。当利用结构钢筋作避雷线时，应在隔震支座的上下连接板之间用铜丝联接，当专设避雷线时，应在隔震层处留足多余的长度。燃气管道不宜穿越隔震层，当必须穿过时，入口段穿墙前应根据罕遇地震作用下对水平位移的大小，设置金属波纹管连接，并设置手动及紧急自动切断阀。防排烟风管穿越隔震层时，应根据罕遇地震作用下对水平位移的要求，采用耐火柔性连接并挂在隔震层梁上，且要求距离墙和柱的距离不小于450mm。

3.4 隔震减震设备的安装、维护、检修

应制定和执行对隔震减震设备进行检查和维护的计划。设备应在室内干燥环境下使用，在正常使用情况下可进行定期检查，在遭遇地 震、强风、火灾等灾害后应进行应急检查。隔震减震部件的改装、修理、更换或加固，应在有经验的工程技术人员指导下进行。采用的隔震支座产品和阻尼装置应通过型式检验和出厂检验。型式检验除满足产品的相关规定外，使用产品的型式检验报告有效期不得超过6年。出厂检验报告只对采用该产品的项目有效，不得重复使用。

不得有任何固定物对上部结构的水平移动形成阻挡。所有竖向隔离空隙形成的水平缝均充填柔性粘结胶料，以防鼠虫等爬入或砂尘、风雨飘入。

4 结语

随着时代的发展，各种新的隔震减震理念和设计方法不断应用于建设工程中，不仅满足了建筑物防震减震的要求，而且在很大程度上促进了建筑行业的发展。结构设计师应努力掌握隔震减震技术的理论知识、设计要点和注意事项，做好隔震减震设计工作，提高建筑物的抗震性能，确保建筑物的安全性。