建筑隔震概述

文/石重貴 北京筑都方圓建筑設(shè)計有限公司 北京 100035

1、前言

我國是地震高發(fā)的國家。20世紀(jì)以來，平均三年發(fā)生兩次7級以上地震[1]。地震災(zāi)害造成巨大經(jīng)濟(jì)破壞和人員財產(chǎn)損失。我國目前的抗震設(shè)防目標(biāo)為“多遇地震不壞、設(shè)防地震可修、罕遇地震不倒”[2]。結(jié)合我國的國情，此設(shè)防抗震標(biāo)準(zhǔn)既能合理使用建設(shè)投資，又能達(dá)到抗震安全的要求。然而，這種通過建筑物本身結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和塑性變形能力來抵抗地震作用和吸收地震能量的傳統(tǒng)“抗震”結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖然能在罕遇地震中不至于倒塌，但建筑物內(nèi)部設(shè)備、設(shè)施已破壞嚴(yán)重，正常使用功能得不到保證。因此，對建筑內(nèi)部設(shè)備、設(shè)施有更高保護(hù)要求的建筑，傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法有時難以滿足要求?；趯ㄖ锟拐鹦阅艿母咭?，隔震結(jié)構(gòu)體系逐漸發(fā)展起來。

2、隔震建筑技術(shù)原理

傳統(tǒng)抗震建筑基礎(chǔ)固結(jié)于地面。地震時，地震波通過地基基礎(chǔ)傳到建筑物。建筑物受地震作用產(chǎn)生震動，從而引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。如果在建筑與地基基礎(chǔ)之間設(shè)置一個特殊的隔震層，阻隔地震波向上傳遞，就可以有效降低建筑的晃動。隔震建筑的技術(shù)出發(fā)點就源于此。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)通過在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間或者在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置柔性隔震層，通過隔震層的變形和耗能，阻隔地震動輸入給上部結(jié)構(gòu)的能量，從而減少上部結(jié)構(gòu)振動。

抗震建筑在地震時會出現(xiàn)晃動。傳統(tǒng)抗震建筑依靠建筑物本身的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和塑性變形能力，抵抗地震作用和吸收地震能量。隔震建筑在地震時也會晃動，但由于隔震層的剛度較上部建筑的樓層剛度小的多，隔震建筑的變形就集中在了隔震層，地震輸入的能量也集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)的變形就非常小。

隔震技術(shù)主要策略立足一個“隔”，體現(xiàn)了“以柔克剛”的設(shè)計理念。采用隔震技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)的地震作用一般可減少40%～80%[3]。隔震層延長了結(jié)構(gòu)的自振周期，同時隔震層中增加適當(dāng)?shù)淖枘崾菇Y(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減弱。隔震層在地震作用下發(fā)生較大變形，阻隔地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞并耗散地震能量，使得上部結(jié)構(gòu)的相對變形變得非常小，大大降低了上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用，提高建筑物可靠性和安全性。按照隔震措施設(shè)計的建筑物，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑內(nèi)部設(shè)備、設(shè)施不會發(fā)生明顯破壞或喪失正常使用功能，建筑物內(nèi)部的人員也不會感受到強(qiáng)烈的搖晃。強(qiáng)震發(fā)生后，建筑物無須修理或僅需一般修理。

3、建筑隔震系統(tǒng)組成

隔震建筑與傳統(tǒng)抗震建筑主要區(qū)別在于上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間增加了個隔震層。隔震層包括隔震支座、阻尼裝置和隔震溝。隔震支座支撐上部建筑物重量，保證建筑振動時的水平變形，并具備振動后的復(fù)位能力。阻尼裝置可以吸收地震能量，并在地震后幫助隔震支座恢復(fù)原先的位置。建筑物與周圍要設(shè)置一定寬度的隔震溝，以允許建筑物振動時不與周圍物體碰撞。

目前在隔震建筑中使用的隔震支座主要有：疊層橡膠隔震支座、摩擦擺隔震支座、滾動支座、碟形彈簧隔震支座、復(fù)合隔震支座。其中，疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)是目前國際上隔震體統(tǒng)的主流。疊層橡膠隔震支座由薄層橡膠和夾層薄鋼板（內(nèi)部鋼板）交互疊置而成。疊層橡膠支座受壓時，橡膠會像外側(cè)變形，由于受到薄鋼板的約束，以及橡膠材料的非壓縮性，橡膠層中心會形成三向受壓狀態(tài)，受壓豎向變形量很小。疊層橡膠支座剪切變形時，鋼板不會約束剪切變形，橡膠片可以發(fā)揮自身柔軟的水平特性，從而通過自身較大的水平變形隔斷地震作用。疊層橡膠隔震支座可以分為天然隔震橡膠支座（LNR）、鉛芯隔震橡膠支座（LRB）、高阻尼隔震橡膠支座（HDR）三類。下圖3-1為鉛芯隔震橡膠支座示意圖。

4、隔震建筑經(jīng)濟(jì)性

一個工程造價大體可以分為兩部分，一是直接建設(shè)費用，二是使用期間維護(hù)費和各種損失失效費。

隔震建筑與非隔震建筑經(jīng)濟(jì)對比，在直接建設(shè)費用上可以分為減少部分和增加部分。減少部分主要是由于上部結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)減少，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和配筋都相應(yīng)減少。而且設(shè)防烈度越高，直接建設(shè)費用減少的越多。增加部分主要是增加了隔震層，安裝的隔震裝置和阻尼器的費用，以及隔震層梁板柱需要加強(qiáng)而產(chǎn)生的費用。對減少部分和增加部分的直接費用的綜合對比，對于高設(shè)防烈度的框架結(jié)構(gòu)或者是框架剪力墻結(jié)構(gòu)，采用隔震技術(shù)后，可降低直接費用約1%～5%[4]。

在地震造成的結(jié)構(gòu)損失費用方面，由于隔震建筑上部變形較小，承重結(jié)構(gòu)和非承重結(jié)構(gòu)以及設(shè)備、設(shè)施等受到的損壞程度較小，地震損失和地震后的維修費用大大減少。在這方面，隔震后可減少損失的費用約為8%～35%[4]。因此，采用隔震技術(shù)大大降低了直接損失，并且也降低了因地震造成的建筑設(shè)備設(shè)施破壞，企業(yè)被迫停工而產(chǎn)生的間接損失。所以，從總的經(jīng)濟(jì)效益看，相對于傳統(tǒng)抗震建筑，隔震建筑具有不可比擬的優(yōu)勢。