建筑结构隔震技术分析

杨毅哲

（许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000）

为保障建筑结构达到地区建筑抗震等级，建筑工程人员必须重点分析，如摩擦摆隔震支座、滑板式隔震支座及橡胶隔震支座等隔震技术应用方式，并深入研究其在整体建筑工程应用过程中的力学性能与耐久性，结合数学公式来构建虚拟动力模型，从而使房屋建筑达到工程要求的抗震等级。

1 建筑工程隔震技术分类

1.1 橡胶隔震支座

在橡胶铅芯隔震支座装置制作与加工时，工作人员必须基于常规橡胶隔震支座装置结构，运用开孔注铅方式加以改造，进而有效减弱地震破坏、降低隔层位移度。该装置作为一种高阻尼隔震设备，可在最大限度上保障建筑结构的稳定性，减弱地震事故对楼层建筑结构的损伤。随着近年来国内建筑结构隔震技术水平不断提高，相关学者已通过不断实践来验证橡胶隔震支座装置的应用效果。但就目前装置应用情况来看，其在装置性能与加工材料质量方面仍然存在一定缺陷。故而，可在原有结构设计基础上，将钢板与胶层紧密黏合到一起，并根据工程项目实际情况，采用科学合理的黏合技术工艺与黏合材料，进而提升整体装置性能。除此之外，橡胶材料本身的耐久性是保障整体隔震结构稳定性的关键所在，而橡胶材料能否保持应有的耐久性则主要取决于材料本身蠕变及氧化反应。如将适量抗氧化剂加入橡胶结构当中，可有效减弱材料氧化反应进而提升材料耐久性。因此，必须保障橡胶材料本身性能与质量符合项目标准。从该装置目前实际应用状态来讲，其实际使用寿命普遍高于工程建筑结构使用年限，故而可满足绝大部分建筑工程隔震需求[1]。

就目前实际情况而言，对于橡胶铅芯隔震支座装置的应用研究，多集中于装置阻尼、水平刚度、竖向刚度和轴向拉伸破坏等性能指数方面，而针对支座装置本身抗破坏性能方面的实践与测试却少之又少。因此，必须基于产品性能使用标准，结合橡胶隔震装置最大竖向受拉承受力标准，进行深入研究提升装置抗剪破坏性能方法。而若想实现这一基本目标，则必须针对隔震支座装置特性运用结构有限元分析方法，来弥补传统以Haringx 理念为核心的隔震装置分析研究中潜在的缺陷与不足，合理设计试验过程、控制试验成本、提升试验数据的真实性与准确性。因考虑到该装置材料性能与构造机理的复杂性，在测试试验实施过程中，必须做好下列几点。第一，提升对结构装置力学性能数据检测的准确性，并将整体试验数据详细记录，为后续类似工程试验提供丰富的数据依据。第二，提升装置抗剪力学试验的测试精度，全面掌握装置材料性能特点。第三，增强对直径规格相对较大的叠层橡胶装置的力学性能研究，并反复测试其各种复杂环境下的力学性能变化。除此之外，还应通过科学合理的方法研究材料力学性能在各种状态下的变化特征。总而言之，在构建现代建筑工程建筑结构隔震装置阶段，通常来讲，在橡胶隔震加工与制作时，无需实施大量复杂的数学计算。只需根据工程项目实际要求，结合材料特性制定科学的隔震装置加工方案，保证橡胶隔震装置加工与制作时，使各项参数数据均能满足工程项目中各类附件要求即可。而对于橡胶支座装置变形性能测试与应力值测试阶段，则需采用适当方法通过相关数学公式进行数据计算，进而保障隔震装置各项性能指数都能满足工程项目需求。

1.2 滑板式隔震支座

现阶段，在相关工程中广泛应用的滑板式隔震支座装置普遍拥有多种摩擦滑移面，其中主要包括不锈钢板、砂垫层及石墨层等接触面，尤其对于不锈钢与聚四氟乙烯（PTEE）材质接触面的滑移摩擦应用，其拥有稳定的使用性能完全能够满足现代大量建筑工程隔震需求。如将隔震设施表面采用不锈钢摩擦板来制作，可首先对其实施抛光处理，并在处理完成后将表面区域均匀涂抹一层硬化树脂，以此来增强不锈钢摩擦板装置本身的坚固性和耐磨性，进而满足各种工程项目隔震装置应用需求。而随着相关学者对隔震装置的不断研究和实践，已将一款拥有良好使用性能的摩擦阻尼全密封锁型隔震支座装置研发成功，其主要采用聚四氟乙烯材质制作的有机滑板与钢板。在实际应用过程中，可采取高度重叠方式，来保障装置本身在遭遇地震产生位移时，装置位移范围能够均匀分散于各个摩擦截面。该装置从本质上来讲属于纯摩擦型隔震滑动装置，尽管在实际应用过程中相较于其他隔震装置有着明显优势，但也同样拥有一定缺陷。如该装置自动复位功能相对较差，对于经过地震事故后而产生的变形无法自动修复且处理难度极大。而目前工程人员已通过不断研究和实践，设计出了一款拥有强大自动复位功能的滑板式建筑结构隔震支座装置，并将逐步应用于现代建筑隔震系统建设当中。相关学者在对该装置摩擦系数研究时发现，其整体摩擦系数值会随着装置承压强度而产生变化，滑动摩擦系数在摩擦频率较低的情况下也会不断增加，直到达到0.15m/s 摩擦速度停止增长。此外，摩擦系数会随着环境温度增长而减弱，其可使用相应的润滑剂来减弱相应的接触面摩擦系数[2]。

由于隔震装置在建筑使用期间，极易因各种环境因素而引起倾覆失稳反应。故在实际设计过程中必须根据工程建筑内部结构实际重量来布设隔震装置。必须根据地震覆盖力矩指数来布设隔震装置抗倾覆力矩参数，若无法通过建筑自身重量来设计倾覆力矩值，那么就必须依据建筑上部结构与支座装置本身来布设抗倾覆措施，进而避免隔震装置倾覆失稳现象发生。通过实际调查得知，该隔震装置在实际工程中应用频率较低，其根本原因在于关于该装置的应用规范和应用标准较少。

1.3 摩擦摆隔震支座

摩擦摆隔震支座装置属于一种拥有复位控制功能的建筑结构隔震装置，合理运用该装置可有效提升建筑结构的整体使用性能、增强建筑结构的稳定性，在最大限度上降低地震事故对建筑结构的损害。在实际应用阶段，可将滑块装置布设于该装置凹曲面底盘上，一旦隔震装置在地震作用下产生任何水平移动，底片凹曲面的滑块便会由下到上开始滑动，减少隔震装置位移距离。而当建筑结构上部受到地震重力作用时，滑块装置便会自动从高到低移动，进而完成自动复位动作。通常来讲，在建筑工程隔震装置中所布设滑块，其本身曲率半径设计值应基于底盘曲面曲率半径值而定。此外，应在滑块滑动装置底盘曲面上均匀涂抹如PTFE 等拥有较小摩擦力的材料，而针对上部滑块装置的设计则必须按照曲面模式实施，进而保障整体滑块装置能够根据建筑结构隔震需求而自由滑动。同时，在实际布设滑块装置时，还应充分考虑到底盘装置曲面曲率与支座装置刚度值，对隔震装置摩擦复位所形成的负面影响。

相关学者在对摩擦摆隔震支座装置基本性能研究试验时发现，该装置在实际运用时具有良好的耐久性与滞回性，且可在长期遭受荷载压力及温度变化的情况下，始终保持应有的可靠性与稳定性。除此之外，在经过一系列性能试验后得知，合理运用该装置可有效延长工程项目上部建筑结构本身的自振周期，降低上部建筑结构因地震作用而产生的负面影响，在保障自身复位能力与稳定性的同时，最大限度防护建筑工程建设结构、提升整体建筑结构的安全性，拥有巨大的应用价值[3]。

2 隔震技术在建筑结构中的应用

2.1 隔震支座的力学性能分析

2.1.1 橡胶铅芯支座装置的水平性能测试

因橡胶铅芯支座装置普遍拥有较好的阻尼性能，故而可在无需增设任何阻尼装置的情况下，将其独立布设在隔震设施当中。橡胶铅芯支座装置在受到建筑结构竖向荷载力时，其主要体现在水平荷载与装置位移之间的线性变化。而当装置在遭遇净力荷载时，其主要体现在水平恢复力与装置之间的线性变化。此期间必须注意的是，在支座装置性能指数评测中水平刚度作为一项重要参考指数，其整体刚度大小严重影响着整体装置在遭遇地震时的形态转换。虽然在大部分建筑工程隔震措施布设过程中，会在支座装置底部配备相应的钢板来防止其在地震作用下产生变形，但钢板防护装置却对支座本身剪切变形方面的防护作用极小，故而将支座装置作为竖向剪切梁来计算整体装置的水平刚度指数，进而对支座装置性能实施有效测评。

2.1.2 橡胶铅芯支座装置竖向性能测试

橡胶铅芯支座装置通常拥有较强的竖向承载力，可承受长时间重力荷载。但在实际安装布设过程中，装置必须合理控制本身竖向变形度，进而保障建筑结构不会因支座装置过度变形而降低结构稳定性。该支座装置在竖向性能参数方面与常规叠层支座相同，都有着明确的性能指数要求，而其中最为关键的性能参数主要包括装置结构的最大剪压应力、最大竖向拉应力与竖向刚度。其详细性能参数计算与设计要求如下。第一，通常来讲，橡胶支座装置在建筑使用过程中会始终处于承压状态，若外部竖向剪力与竖向荷载力作用同时发生，则极易使装置本身产生水平变形，严重时则会压断支座。依据大部分工程项目及国家规定，支座装置最大竖向拉应力指数必须高于1.5 MPa。一旦支座装置在后续使用过程中产生变形，则必然会大幅度降低本身竖向刚度，因此，必须在实际工程实施过程中，合理设计支座装置竖向拉应力最大参数值。除此之外，建筑结构隔震支座装置通常在遭遇一定的压力后，装置荷载位移与硬化弹簧处于一致状态。第二，竖向刚度通常指的是建筑隔震结构中支座单位在产生一定竖向位移时所形成的竖向力，其装置本身橡胶层在装置移位时所形成的剪切变形与压缩变形总和。具体装置竖向刚度计算，如公式（1）所示。

式中：KV代表橡胶材料装置修正系数值，Ec代表压缩后的橡胶材料装置弹性模量，TR则代表橡胶层装置总厚度。

2.2 隔震结构的动力模型设计

隔震装置在应用于建筑结构设计时，通常上部结构设计刚度较大且具备优美、匀称的外部形态，而隔震层区域装置刚度却远不如上部结构。故而，一旦房屋建筑遭遇地震，则极易引起隔震支座装置产生水平位移或改变外部基本形态。而因地震造成的负面作用力无法很难上升到建筑上部结构区域，因此上部建筑结构区域在遭遇地震时通常只会产生不同程度的水平运动。在多层建筑隔震措施建设工程中，隔震装置本身刚度和阻尼度可完全取代整体系统刚度与阻尼度。因此，只需设计单质点动力隔震结构分析模型，来计算分析基础装置设施在遭遇地震时的反应速度。除此之外，因高层建筑本身宽度与高度较大，而建筑上部结构之间的楼层层间刚度普遍较小。上部建筑结构会在遭遇地震事故后产生一定的水平运动，进而引起结构剪切变形。因此，可将整体建筑作为多支点体系实施隔震布设，并基于相关计算公式来设计整体隔震装置参数[4]。

2.3 基础隔震装置的耐久性分析

现阶段，我国多数建筑为50 年使用年限，而隔震支座装置实际使用年限却远远高于50 年。如西方某国在铁路桥段布设的橡胶支座隔震装置如今已经过百年，相关装置依然能够保持良好的隔震性能。而目前多数橡胶隔震支座装置都采用了相应的外围保护剂和抗老化剂，使得大部分隔震装置实际使用年限早已超过多数建筑结构的使用寿命，即使在整体使用过程中因地震原因需要优化或更换支座装置，实际操作难度也相对较低。由此可见，现代隔震装置普遍拥有极强的耐久性。

3 实例分析

3.1 工程概况

以某居民住宅建筑工程为例，该工程建筑共有20 层地上建筑，建筑总面积达到3.3 万m2，属于典型的高层居民住宅建筑工程。此外，该建筑工程主要采用双塔剪力墙形式来布设内部建筑结构，工程所在地为9 度抗震防裂度，该市分为三级地震等级，而本次案例工程项目施工场地所处区域属于一级防震区，对整体建筑结构抗震性能有着极高的要求。因此，经过相关人员研究后最终决定，本次案例建筑工程主要采用双塔结构建造，并在建筑中心区域布设一条50～60 cm 宽度的抗震缝，结合工程实际情况计算各个区域建筑抗震参数，整体采用隔震建筑结构设计模式实施。

3.2 隔震设计分析

3.2.1 方案分析

本次建筑工程隔震设计方案，主要包括以下两方面：第一，抗风承载力设计方案。鉴于本次案例工程整体建筑结构防震等级要求较高，必须合理布设相应的隔震措施。而工程建筑结构重力约为25 万kN，相关人员在经过一系列风荷载数据计算后得知，在风荷载作用下的建筑结构达到2 814.9 kN 水平力值，其完全能够满足10%的建筑总重力要求。结合关于橡胶叠层支座装置相关的隔震技术要求，本次案例工程在设计抗风装置时风荷载数据计算，如公式（2）所示。

式中：γw为整体建筑风荷载数值中分项系数值（本次案例项目工程将其设定为1.4），Vwk为水平风荷载在建筑结构隔震层区域的全部作用力，VRw则代表整体建筑结构所受到的风荷载。除此之外，本次案例工程项目共设计了LRB型隔震支座56 个，基于上述计算公式来计算建筑结构隔震装置的设计屈服强度值，即1.4×2 814.9＝3 940.9 kN＜56×203=11 368 kN，上述计算数据完全符合工程项目相关要求。

第二，对于支座装置在罕遇地震环境下的位移值与竖向承载力参数设计。设计人员在经过一系列数据测试计算后，将本次案例工程建筑结构竖向压力设定为12.82 MPa，整体数值低于支座装置本身的竖向压力值。而在罕遇地震环境下，内部隔震支座装置水平位移度也必须满足相关设计要求，应低于0.55 倍支座装置的有效宽度，且不应高于3 倍以上的支座装置实际厚度。因此，本次案例工程主要采用1 000 mm 直径的隔震支座装置，最终测算出其最大位移距离为451 m，完全能够满足本次案例工程设计要求。

3.2.2 隔震支座性能分析

本次案例工程项目隔震支座装置性能参数由具体的供应商提供，且应满足以下几点要求。第一，支座装置在经过地震后的修复能力，必须符合工程项目要求。第二，在遭遇地震时支座装置水平位移范围，必须符合工程项目要求。第三，支座装置区域因受到水平位移影响所产生的剪力，必须符合工程项目要求[5]。第四，支座装置区域的承载能力与竖向刚度必须符合工程项目要求。本次案例工程项目支座装置力学性能如下：LRB1000（A）支座装置总橡胶层厚度不得低于185 mm，将支座装置屈服力设定为204 kN，将屈服变形之前支座装置刚度为27.1kN/mm、屈服变形之后支座装置刚度为2.05kN/mm，等效水平支座装置刚度值设定为3.18kN/mm，将支座装置竖向刚度设定为4200kN/mm，使用套数设定为57 套。LRB1000（B）支座装置总橡胶层厚度不得低于185mm，等效水平支座装置刚度值设定为1.42 kN/mm，将支座装置竖向刚度设定为3800kN/mm，使用套数设定为27 套。

3.3 隔震层支座施工注意事项

应在安装支座预埋件后，对支座装置区域主筋及预埋锚筋等实施全面点焊作业，并保障预埋套筒在点焊作业过程中始终保持铅直状态，紧密连接各个预埋板，避免各个连接装置间出现间隙裂缝。除此之外，还应在相关装置整体安装完毕后二次复核预埋板装置标高和水平度，进而将整体装置安装误差控制在工程项目允许范围之内。

4 结束语

综上所述，抗震能力作为评价现代房屋建筑工程质量的一项重要指标，同时也是保障建筑结构安全性与稳定性的关键所在。因此，工程建设人员必须充分重视此阶段的施工布设，采用适合的隔震技术，制定适合房屋建筑工程项目的隔震施工方案，进而为人们提供一个健康、安全的生活空间。