浅谈隔震结构的设计特点

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【摘 要】 建筑隔震就是在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震装置（或系统），形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来。地震发生时，地震波由地面传至基础，在向上部建筑物传递时，首先通过隔震层，这时隔震层中连接建筑物和基础的隔震装置就可以发挥隔离作用，地震波只有一小部分能够通过隔震层传到上部建筑中。减轻地震能量对结构的输入，从而减轻地震灾害。

【关键词】隔震层；隔震支座；阻尼器；刚度；阻尼比；水平向减震系数；抗震验算

一、基础隔震基本原理

建筑隔震就是在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震装置（或系统），形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来。地震发生时，地震波由地面传至基础，在向上部建筑物传递时，首先通过隔震层，这时隔震层中连接建筑物和基础的隔震装置就可以发挥隔离作用，地震波只有一小部分能够通过隔震层传到上部建筑中。如果隔震层中还安装消能装置，那么，隔震层还将耗散掉一部分地震能量，进一步减少地震能量向上部建筑的传输，减少建筑物的地震反应，保护建筑物在地震作用下的安全。

隔震可以将结构周期延长2倍以上。和传统房屋比较，采用隔震后，可降低水平地震作用2～6倍，大震时建筑物不倒塌、甚至不破坏，上部结构可保持弹性；基本不中断人的正常生活与服务。

二、隔震层组成

隔震层一般由隔震支座和消能器组成。隔震支座一方面要支撑建筑物的竖向重量，另一方面在水平方向提供一个较小的水平刚度，并且具有自复位的功能。目前建筑常用的隔震支座主要有叠层橡胶支座和滑动隔震支座。消能器又称阻尼器，主要用来吸收或耗散地震能量，抑制隔震层产生较大的位移。常用的阻尼器有金属变形阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等。铅芯插入型叠层橡胶支座则是将叠层橡胶支座与铅阻尼器完美结合在一起，发挥隔震作用的同时，又能起消能的作用。

三、隔震技术应用范围和适用条件

基础隔震技术适用地震区各类中、低层一般工业与民用建筑（包括砌体结构、底层框架、内框架、框架等各种结构）。

对一些使用功能有特殊要求的建筑，如地震时不能中断使用的指挥机关、公安消防部门，地震时不能损坏信息系统和重要设备的银行、通信部门，不能发生次生灾害的存放有毒、爆炸物品的建筑、高危试验室，地震时要求有更大生命安全保障的幼儿园、中小学、医院等建筑，可以优先考虑采用隔震技术。

建筑结构采用的隔震方案，宜符合下列要求：

（1）非隔震时，结构基本周期小于1.0s。

（2）体型基本规则，高度不超过40m，在两个主轴方向以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构。

（3）建筑场地宜为I、II、III类，并应选用稳定性较好的基础类型。

（4）风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力，不宜超过结构总重力的10%。

随着隔震技术的深入研究，隔震技术也逐渐应用到了中、高层建筑。在隔震发展成熟的日本，隔震大量用于高层建筑，有些甚至是超高层建筑。

四、隔震设计基本要求

1.设防目标

采用隔震技术的建筑的抗震设防水准高于同条件下的非隔震建筑。达到的设防目标是，当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震时应不损坏，且不影响使用功能；当遭受本地区设防烈度的地震时，应产生非结构性损坏或轻微的结构损坏，一般不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震时，应不致发生危及生命的破坏和丧失使用功能。

2.隔震设计基本要求

（1）隔震建筑的体型应基本规则，上部建筑重心尽可能与隔震层的刚度中心接近，保证隔震结构地震时不致因太大的扭转而发生意外的破坏。

（2）合理设置隔震结构的基本周期，避开场地周期和上部结构的周期，有效地发挥隔震技术的效用。

（3）隔震设计应根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震支座和阻尼器（消能器）。如果需要，还要设置抵抗风荷载的部件（如抗风拉杆或抗风销键）。

（4）隔震支座应进行竖向承载力的验算和罕遇地震下水平位移的验算。

（5）隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定。考虑竖向地震作用时，竖向地震作用标准值8度和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%和40%。

（6）隔震层以下结构（包括地下室）的抗震验算应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和弯矩进行设计。

（7）隔震建筑地基基础的抗震验算仍应按抗震设防烈度进行。

（8）穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。

（9）体型复杂或有特殊要求的结构采用隔震方案时，宜通过模型试验后确定。

五、隔震结构的设计

1.隔震层位置

隔震层可以根据需要设置在不同位置。建筑无地下室时，将隔震层设置在基础和上部结构之间；建筑有地下室时，可以有三种设置方法，方法一：将隔震层设置在基础和地下室之间，这样处理，隔震沟较深；方法二：将隔震层设置在地下室内，这样做隔震沟较浅，隔震层可以少做一层楼板，节省空间，但四周的围护做法要求较高；方法三：将隔震层设置在地下室和上部结构之间，优点是隔震沟较浅，地下室使用完整；当建筑有较大范围的裙房时，隔震层可以设置在裙房与上部结构之间。在一些特殊情况下，隔震层也可设置在上部结构之间，称中间层隔震。

隔震层置于基础顶是最基本的隔震构造型式，可最大限度地隔离地震能量。从建筑功能看，为了方便安装和维修隔震装置，可将安装及维修层直接做成地下或半地下室，而隔震层就设置在地下室的柱顶或墙顶。从受力看，为了减少隔震支座大变形产生的P-效应，可将隔震支座放置在柱中。

将隔震层设置在上部结构中（中间层隔震）主要是针对一些特殊情况所采取的措施，如建筑底部周围没有可供位移的空间。中间层隔震在日本和中国已有实例，但由于这种情况的动力特性比较复杂，设计时应格外慎重。

2.隔震结构计算

隔震结构计算包括小震下隔震结构的强度验算，解决隔震层以上结构的设计问题。罕遇地震下计算是隔震结构设计中必须要做的，解决隔震层在罕遇地震下可能出现的最大位移以及隔震层以下结构中部分构件的强度设计问题，也就是说隔震层以下结构中的部分构件需要按罕遇地震进行设计，这与非隔震结构有所不同。

3.隔震层设计

隔震层设计包含了隔震支座的布置、隔震支座承载力验算、罕遇地震下最大位移、水平屈服荷载、弹性水平恢复力验算。

隔震支座布置同时考虑竖向和水平向的要求。首先隔震装置要满足竖向荷载的要求，其次是水平荷载。为了提高上部结构的减震效果，隔震层的总水平刚度应尽量小，同时也要控制隔震层的位移。

4.下部结构及基础设计

隔震层以下结构（包括支墩、柱子、墙体、地下室等）的地震作用和抗震验算，应按罕遇地震作用下隔震支座底部的水平剪力、竖向力及其偏心距进行验算。上部结构和隔震层传至下部结构顶面的水平地震作用，可按隔震支座的水平刚度分配；当考虑扭转时，尚应计隔震层的扭转刚度。需进行地基基础抗震验算和地基处理的隔震结构，按多遇地震下的地震作用进行基础及地基承载力的验算。当下部结构或地基基础需要考虑竖向地震作用时，也按多遇地震下结构承受的竖向地震作用进行验算。

六、结语

隔震结构从外表看，缝把建筑物与地面分开，实际上可以减轻地震能量对结构的输入，从而减轻地震灾害。隔震建筑值得推广。

参考文献：

[1]党育，杜永峰，李慧 基础隔震结构设计及施工指南 中国水利水电出版2007。

[2]田杰 建筑隔震技术概况 北京工业大学，2010。

[3]黄世敏，杨沈等 建筑震害与设计对策 中国计划出版社，2009。