高層建筑中的隔震結(jié)構(gòu)

李明軍

地震是一種自然災(zāi)害，地震具有突發(fā)性的特點(diǎn)，至今可預(yù)報(bào)性仍然很低，我國屬地震多發(fā)國家，因此研究結(jié)構(gòu)的抗震性能在我國具有充分的必要性。

1 結(jié)構(gòu)隔震的原理與隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)隔震的概念與原理

在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置(或系統(tǒng))形成隔震層，把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開來，利用隔震裝置來隔離或耗散地震能量以避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，以減少建筑物的地震反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生輕微運(yùn)動(dòng)和變形，從而使建筑物在地震作用下不損壞或倒塌，這種抗震方法稱之為房屋基礎(chǔ)隔震。其原理是通過設(shè)置隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減少，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)像剛體一樣，自身相對(duì)位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)，從而使建筑物不產(chǎn)生破壞或倒塌。

1.2 隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

抗震設(shè)計(jì)的原則是在多遇地震作用下，建筑物基本不產(chǎn)生損壞;在罕遇地震作用下，建筑物允許產(chǎn)生破壞但不倒塌。按抗震設(shè)計(jì)的建筑物，不能避免地震的強(qiáng)烈晃動(dòng)，當(dāng)遭遇大地震時(shí)，雖然可以保證人身安全，但不能保證建筑物及其設(shè)備及設(shè)施安全，而且建筑物由于嚴(yán)重破壞常常不可修復(fù)。如果用隔震結(jié)構(gòu)就可以避免這類情況發(fā)生，隔震結(jié)構(gòu)通過隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結(jié)構(gòu)全部傳輸，因而，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減小，震動(dòng)減輕，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞，人員安全和財(cái)產(chǎn)安全均可以得到保證。

1.3 隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

提高地震時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性;上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活，抗震措施簡(jiǎn)單明了;防止內(nèi)部物品的震動(dòng)、移動(dòng)、翻倒，減少了次生災(zāi)害;防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞;抑制了震動(dòng)時(shí)的不舒適感，提高了安全感和居住性;可以保持機(jī)械、儀表、器具的功能;震后無需修復(fù)，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益;經(jīng)合理設(shè)計(jì)，可以降低工程造價(jià)。

1.4 隔震結(jié)構(gòu)的適用范圍

隔震結(jié)構(gòu)的適用范圍包括:醫(yī)院、銀行、保險(xiǎn)、通訊、警察、消防、電力等重要建筑;首腦機(jī)關(guān)、指揮中心以及放置貴重設(shè)備、物品的房屋;圖書館和紀(jì)念性建筑;一般工業(yè)與民用建筑。

2 隔震系統(tǒng)的組成與類型

2.1 隔震系統(tǒng)的組成

隔震系統(tǒng)一般由隔震器、阻尼器、地基微震動(dòng)與風(fēng)反應(yīng)控制裝置等部分組成。在實(shí)際應(yīng)用中，通?？墒箮追N功能由同一元件完成，以方便使用。

隔震器的主要作用是:一方面在豎向支撐建筑物的重量，另一方面在水平方向具有彈性，能提供一定的水平剛度，延長(zhǎng)建筑物的基本周期，以避開地震動(dòng)的卓越周期，降低建筑物的地震反應(yīng)，能提供較大的變形能力和自動(dòng)復(fù)位能力。

阻尼器的主要作用是:吸收或耗散地震能量，抑制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的位移反應(yīng)，同時(shí)在地震終了時(shí)幫助隔震器迅速復(fù)位。

地基微震動(dòng)與風(fēng)反應(yīng)控制裝置的主要作用是:增加隔震系統(tǒng)的初期剛度，使建筑物在風(fēng)荷載或輕微地震作用下保持穩(wěn)定。

2.2 隔震系統(tǒng)的類型

常用的隔震器有疊層橡膠支座、螺旋彈簧支座、摩擦滑移支座等。目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的是疊層橡膠支座，它又可分為普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等。

常用的阻尼器有彈塑性阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯性阻尼器、摩擦阻尼器等。

常用的隔震系統(tǒng)主要有疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)、摩擦滑移加阻尼器隔震系統(tǒng)、摩擦滑移擺隔震系統(tǒng)等。

目前，隔震系統(tǒng)形式多樣，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，并且都在不斷發(fā)展。其中疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用最為廣泛，尤其是鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座系統(tǒng)，由于不用另附阻尼器，施工簡(jiǎn)便易行，在國際上十分流行。我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《夾層橡膠墊隔震技術(shù)規(guī)程》僅針對(duì)橡膠隔震支座給出了有關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

3 隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

3.1 隔震的要求

隔震主要用于高烈度地區(qū)或使用功能有特別要求的建筑以及符合以下各項(xiàng)要求的建筑:

1)不隔震時(shí)，結(jié)構(gòu)基本周期小于1.0 s的多層砌體房屋、鋼筋混凝土框架房屋等。2)體型基本規(guī)則，且抗震計(jì)算可采用底部剪力法的房屋。3)建筑場(chǎng)地宜為1，2，3類，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型。4)風(fēng)荷載和其他地震作用以及水平荷載不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。

隔震建筑方案的采用，應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和建筑使用要求，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性綜合比較分析后確定。

3.2 隔震層的設(shè)置

隔震層的布置應(yīng)符合下列要求:1)隔震層可由隔震支座、阻尼裝置和抗風(fēng)裝置組成。阻尼裝置和抗風(fēng)裝置可與隔震支座合為一體，亦可單獨(dú)設(shè)置，必要時(shí)可設(shè)置限位裝置。2)隔震層剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心重合。3)隔震支座的平面布置宜與上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的豎向受力構(gòu)件的平面位置相對(duì)應(yīng)。4)同一房屋選用多種規(guī)格的隔震支座時(shí)，應(yīng)注意充分發(fā)揮每個(gè)橡膠支座的承載力和水平變形能力。5)同一支承處選用多個(gè)隔震支座時(shí)，隔震支座之間的凈距應(yīng)大于安裝操作所需要的空間要求。6)設(shè)置在隔震層的抗風(fēng)裝置宜對(duì)稱，分散地布置在建筑物的周圍或附近。

4 上部結(jié)構(gòu)的地震作用和抗震措施

目前的疊層橡膠隔震支座只具有隔離或耗散水平地震的功能，對(duì)豎向地震隔震效果不明顯，為了反映隔震建筑隔震層以上結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)減小這一情況，引入“水平向減震系數(shù)”。地震作用計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)水平地震影響系數(shù)最大值進(jìn)行折減。

5 隔震結(jié)構(gòu)

5.1 對(duì)隔震裝置的要求

1)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)面之間設(shè)置某些隔震消能裝置而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。該隔震消能裝置必須具備三項(xiàng)特性:a.使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)面上柔性滑動(dòng)，有效的降低結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)。b.具有足夠的初始剛度，以滿足正常使用要求，當(dāng)強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)(P≥Py)，體系進(jìn)入滑動(dòng)消能狀態(tài)。c.提供較大的阻尼，具有較大的消能能力，以降低結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)。

2)為了滿足上述的三項(xiàng)特性，常用于隔震體系的隔震消能裝置有如下幾種:a.夾層橡膠墊隔震裝置。橡膠墊既可用天然橡膠，也可用人工合成橡膠。為了提高橡膠墊塊的垂直承載力和垂直剛度，采用鋼板夾層橡膠墊塊。我國已在某地的廠房結(jié)構(gòu)中采用這種隔震裝置，目前正在施工的南方汕頭市的多層住宅中也采用了這種隔震體系。b.滾珠(或滾軸)隔震加鋼板消能裝置，包括軟鋼消能桿件等。我國與加拿大學(xué)者對(duì)這種隔震裝置進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，取得了很有價(jià)值的成果。c.粉粒墊層隔震裝置。用精選的圓形砂?；蚧?、石墨或砂漿等作為滑動(dòng)層，起隔震消能作用。我國已建成用砂粒作為隔震層的某4層民用磚石房屋。最近又在某地建成采用石墨作隔震層并用鋼棒作為消能裝置的某5層磚石房屋。

5.2 隔震結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用

夾層橡膠墊隔震技術(shù)已經(jīng)比較成熟，因此，近年我國在汕頭、安陽、西昌、廣州、大理等城市已經(jīng)建成的橡膠墊多層隔震房屋已經(jīng)有 20棟。聯(lián)合國 UNIDO分別在汕頭(隔震器廠)建立了夾層橡膠墊生產(chǎn)中心，在廣州(華南建設(shè)學(xué)院西院)建立了夾層橡膠墊試驗(yàn)檢驗(yàn)中心，橡膠墊隔震房屋將逐步在我國和世界各國推廣應(yīng)用。

[1] 王心田.建筑結(jié)構(gòu)體系與選型[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003:9.

[2] 豐定國，王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2001:9.