隔震技术在建筑结构设计中的应用
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【摘要】隔震技术属于抗震设计中的主动控制技术，通过设置隔震层“消弱上部结构与基础、底部或下部结构的连接”“隔离输入上部结构的地震能量”“增大结构阻尼、延长结构自振周期”。大量工程经验和试验表明，隔震一般可直接减少输入上部结构的地震能量，结构的水平地震加速度反应可降低 60% ( 降至非隔震设计时的 40%左右) ，从而有效地消除、减轻结构( 非结构) 构件的地震
损坏，提高建筑物及内部人员设施的地震安全性，笔者将从下面几个方面做出探讨。
【关键词】隔震技术，建筑结构，设计方案，措施探讨
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
隔震建筑结构，需要按《建筑抗震设计规范》进行设计。传统的抗震结构设计为两阶段设计方法，两阶段分别为：多遇地震作用时，结构处于弹性工作状态，凭借结构的刚度以及强度对地震作用进行抵御；罕遇地震作用时，结构处于弹塑性阶段，凭借结构的塑性变形以及延性对地震作用进行抵御。此设计方法，以结构和建筑内部的设备在强震的作用下造成严重破坏为前提，一旦发生强震，传统的抗震结构建筑将遭受极大的破坏。而基础隔震技术，阻隔地震能量的同时，以在强震作用下不损坏结构或者破坏轻微为目的，已经进入了建筑结构设计领域。
二、隔震系统和隔震设计对结构的要求
隔震系统是由隔震器、阻尼器和复位( 风反应控制与地基微震动) 装置等组成。阻尼器可单独设计，也可与隔震器合为隔震支座一种元件以方便使用，必要时尚需设置防风锁定装置。隔震系统常用的有摩擦滑移加阻尼器隔震系统、叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统、组合基础隔震系统等，目前比较成熟的是叠层橡胶支座隔震系统。
国内外常见的叠层橡胶支座有: 标准叠层橡胶支座( MRB) ，铅芯叠层橡胶支座( LRB) ，高阻尼叠层橡胶支座( HD-MRB) ，内包阻尼体叠层橡胶支座( DRB) 。铅芯叠层橡胶支座在我国使用最多，标准叠层橡胶支座的使用稍少。从总体而言，各种设计对结构有以下几个方面的要求。
1.隔震层应提供必要的侧向刚度、阻尼及足够的竖向承载力。
2.非地震作用的其他水平荷载( 如风荷载)标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。
3. 工程经验表明: 地震波的中、高频分量易被软弱场地滤掉，若在其上建造隔震房屋，延长的结构周期将增大而不是减小其地震反应。因此《规范》要求隔震结构建筑场地宜为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类等硬土场地，并应选用稳定性较好的基础类型。当在Ⅳ类场地建造隔震房屋时，应进行专门研究和专项审查。
4.根据橡胶隔震支座抗拉屈服强度低的特点，《规范》要求隔震结构最大高度应满足规范非隔震结构的要求，变形特征接近剪切变形，高宽比宜小于4，且不应大于相关规范规程对非隔震结构的具体规定。采用隔震设计时应对高宽比大于4或非隔震结构相关规定的结构进行专门研究。
5. 隔震设计应注意有待解决的问题
（一）对高宽比大、不符合《规范》要求的结构，在进行隔震设计时需进行整体抗倾覆验算，防止支座压屈并控制支座拉应力不超过 1 MPa。验算隔震支座拉、压力时，应按罕遇地震作用计算并留有适当余地。
（二）地震波在软弱( 夹层) 场地的传播特性尚不明确，软弱场地、场地有软弱夹层、下部结构变形过大的情况下应慎用隔震技术。
（三）计算隔震上部结构水平地震作用时，隔震系统力学性能与水平向减震系数两者之间变化规律有待深入研究。
（四）目前的隔震系统对竖向地震作用无隔离效果，隔震装置在竖向地震作用下的反应还有待进一步探讨。
1.隔震结构设计计算方法
（一）规范方法
目前隔震结构的设计采用的是分离式计算方法，引人减震系数，即将隔震结构的楼层剪力与非隔震结构的楼层剪力逐层比较，取比值最大者作为减震系数;对高层结构来说，环要对楼层倾覆力矩讲行比较，两者取大值。有了减震系数后，隔震结构可按非隔震结构设计，计算时，非隔震结构的她震作用乘以减震系数，考虑橡胶隔震支座的性能，再除以小于1的调整系数，话当放大，该样做设计偏与安全。由于隔震结构承受的她震作用的分布近似均匀或梯形分布，而非隔震结构的分布近似倒三角形或弯曲形，因此非隔震结构每一层的剪力和弯矩值均高于隔震结构。采用分离式方法后，设计人员可以采用现有的软件完成隔震结构的设计。
（二）时程分析
计算减震系数时，隔震结构的分析要求采用时程分析法，该样对隔震支座的计算模拟较为准确，目前国内隔震结构的计算软件较成熟，程序都提供了普通橡胶支座、铅芯橡胶支座和滑动隔震支座的计算模型，普通橡胶计算模型为简单弹性模型，当计算需要考虑受拉时，应取折线形弹性模型，即受拉与受压时的弹性刚度取不同值，受拉刚度K1，小于受压刚度K0，比值取1/6-1/10。铅芯橡胶隔震支座采用双剪Wen模型。滑动隔震支座可采用库仑摩擦滞回曲线或双线性滞回曲线计算模型。
2.隔震方案的选择
目前隔震设计已属于结构抗震设计的成熟技术，应能适合工程的具体情况，在符合《规范》3． 5． 1 条规定的基础上，应根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、使用功能确定建筑、结构隔震设计方案。并进行技术可行、经济适用、安全可靠等方面论证，且应与采用抗震设计的方案进行对比分析。进行方案分析比选时，结果应显示出隔震设计方案比抗震设计方案在提高结构抗震能力上的优势。
3.隔震结构的适用范围
（一）建筑方面，隔震层中，上部结构的层间位移比较小，一般都是钢体运动，扩大了上部结构在建筑设计上的自由度，大大缓解了结构设计对于建筑设计的限制约束，可以说隔震结构中上部结构的设计并没有什么特别的限制。
（二）结构方面，隔震结构也没有特别的限制，可以说，适合各种类型的结构设计。与传统结构设计相比，隔震结构在对上部结构的偏心、非结构构件和设备的抗震构造措施、结构和构件的延性等方面，其限制都比较宽松，使得隔震层上部建筑的结构形式可以有更为灵活的选择。不过，由于隔震技术是通过增大结构自振周期来实现结构地震反映的降低，因此，那些周期小而场地特征周期比较短的建筑，将会得到更佳的隔震效果。隔震技术如果应用在砌体房屋一级中低层混凝土建筑结构中，减震效果将更具优越。《建筑抗震设计新规范》中做了明确规定，砌体房屋、钢筋混凝土框架结构、钢筋混凝土框架——抗震墙结构中，都可以采用隔震的结构设计方案，房屋的高度和总高度应当符合规定要求：
4.隔震建筑结构的设计步骤
(一)确定隔震结构的上部结构方案和结构布置。这些设计内容和非隔震建筑结构是一样的。那些偏心比较明显的建筑平面设计方案，采用隔震技术的话，会更加容易进行设计。在抗震建筑结构中，其上部结构和地基直接相连，将会产生一定的温度应力。隔震建筑，则不会和地基接触，其温度应力将伴随隔震层的变形而被释放。
(二)布置、设计隔震的支座。隔震层的各橡胶隔震支座，在永久荷载和可变荷载组合作用下产生竖向平均压应力，其设计值不应当超出下表的规定要求；而在罕遇地震作用下，不应当有拉应力的存在。
（三）确定隔震建筑的上部结构的水平换算烈度以及地震作用。水平换算烈度，应当通过隔震结构和非隔震结构的层间剪力最大值的对比分析后再做确定。层间剪力的对比分析，应当采用多遇地震作用下的时程分析。如果隔震后的结构各层的层间剪力小于降低烈度但不隔震的对应结构的各层最大层间剪力的80％时，可以取降低后的烈度作为水平换算烈度。
四、结语
目前为止，地震的预测都和防止都具有一定的难度，因此，加强对各种建筑物抗震性能的增强具有十分重要的意义，加强对各种隔震技术的研究，并不断使其应用于建筑结构设计中来，这对保证建筑结构的抗震性能具有十分重要的意义。
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