建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隔震減震措施的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

王丁丁

中國中元國際工程有限公司 北京 100089

隨著隔震減震技術(shù)研究的深入以及實(shí)際工程積攢了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隔震減震方案更加合理、更加先進(jìn)，對保障人民的財(cái)產(chǎn)安全做出了重要的貢獻(xiàn)。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用隔震減震措施的意義

隨著人民對建筑安全的重視程度與生活水平的提高，為了防止建筑遭遇地震后中斷重要的使用功能，避免人員傷亡及次生災(zāi)害，減少經(jīng)濟(jì)損失和社會，2021年國務(wù)院頒布了《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》，從規(guī)章制度層面鼓勵推廣隔震減震技術(shù)?！稐l例》中第十六條要求：位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、醫(yī)院、兒童福利機(jī)構(gòu)、幼兒園等建筑應(yīng)當(dāng)按照國家有關(guān)規(guī)定采用隔震減震等技術(shù)，保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用要求。并且國家鼓勵在除前款規(guī)定以外的建設(shè)工程中采用隔震減震等技術(shù)，提高抗震性能[1]。

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用隔震減震技術(shù)能夠有效降低地震作用對建筑物的破壞，通過這種方式可以充分提升建筑物的抗震性能，大幅度提升建筑物的安全性，使人身安全和財(cái)產(chǎn)得到保障，因此越來越多的建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)使用隔震減震技術(shù)。隔震減震措施在當(dāng)今時(shí)代背景下已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要手段。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隔震減震的實(shí)現(xiàn)方式

2.1 隔震設(shè)計(jì)方式

隔震設(shè)計(jì)指在房屋基礎(chǔ)、底部或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成具有整體復(fù)位功能的隔震層，以延長整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，達(dá)到預(yù)期防震要求。

隔震結(jié)構(gòu)中的隔震支座分為以下三類：第一類是疊層橡膠隔震支座；第二類是摩擦擺隔震支座；第三類是彈性滑板隔震支座；其中疊層橡膠隔震支座又有以下3種類型：即天然橡膠隔震支座(LNR)、高阻尼橡膠隔震支座（HDR）和鉛芯橡膠隔震支座（LRB)。

隔震設(shè)計(jì)時(shí)較為常見的隔震支座是天然橡膠隔震支座和鉛芯橡膠隔震支座。天然橡膠支座由天然橡膠片或氯丁二烯橡膠片與鋼板經(jīng)高溫硫化黏結(jié)而成，支座受壓時(shí)，橡膠會向外側(cè)變形，但由于受到內(nèi)部鋼板的約束，以及考慮到橡膠材料的非壓縮性，橡膠層中心會形成三向受壓狀態(tài)，其壓縮時(shí)的豎向變形量很小，而橡膠支座剪切變形時(shí)，鋼板不會約束剪切變形，橡膠層可以發(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水平地震作用，同時(shí)還能抑制結(jié)構(gòu)的高階反應(yīng)。天然橡膠支座不提供阻尼，罕遇地震時(shí)隔震支座位移較大，實(shí)際工程中須與其它隔震支座或阻尼器聯(lián)合使用。

由于天然橡膠隔震支座的鋼板可以約束橡膠的豎向變形但對其水平變形沒有影響，在水平風(fēng)荷載比較大的情況下有可能就會發(fā)生比較大的水平位移，影響建筑物的正常使用[2]。于是在天然橡膠支座中間開孔壓入鉛芯構(gòu)成鉛芯橡膠隔震支座。由于鉛是一種具有良好塑性變形能力和能量吸收能力的金屬，鉛芯橡膠隔震支座不僅有較高的阻尼比，而且水平性能相對穩(wěn)定，還有一定的初始剛度，可以提高建筑的抗風(fēng)能力，因此鉛芯橡膠隔震支座兼有天然橡膠隔震支座和阻尼器的作用。

設(shè)計(jì)中常見的隔震方式主要有以下幾類：

一是基礎(chǔ)隔震。基礎(chǔ)隔震指的是將隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間，根據(jù)隔震層與室外標(biāo)高關(guān)系以及是否有使用功能，隔震層可設(shè)置在地面以上也可設(shè)置在地面以下。

二是地下室頂板隔震。隔震層設(shè)置在地下室頂板和上部結(jié)構(gòu)之間，隔震層層高由隔震層是否具有使用功能來確定。隔震層作為停車庫、設(shè)備用房等有使用功能時(shí)，應(yīng)根據(jù)消防要求對隔震支座進(jìn)行防火處理。對于地下室頂板隔震，通?？煞譃轫敯逡陨蠁嗡投嗨粽?。

三是層間隔震。層間隔震又稱為中間層隔震，指隔震層設(shè)置在建筑地上結(jié)構(gòu)的某相鄰層之間，比如可設(shè)置在裙房的上一層。此時(shí)隔震層通常作為檢修層，同樣需滿足隔震層梁底到下層樓面凈高宜不小于1.2m。

四是錯(cuò)層隔震。錯(cuò)層隔震是指隔震層不在同一樓層的情況。例如，建筑中核心筒處的電梯井道需自上而下貫通，為確保電梯的正常使用，無法設(shè)置隔震縫斷開，這時(shí)候就需要將電梯核心筒的隔震位置設(shè)置在基礎(chǔ)，而核心筒之外的其它豎向構(gòu)件可在地下室頂板或其它位置設(shè)置隔震層，形成了錯(cuò)層隔震。

隔震設(shè)計(jì)時(shí)需注意：設(shè)計(jì)中需要指定隔震層的上、下支墩為關(guān)鍵構(gòu)件，與上支墩相連的隔震層的主梁可定義為重要水平構(gòu)件。同時(shí)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求，在進(jìn)行隔震層下支墩的承載力驗(yàn)算時(shí)，需要考慮由隔震層水平變形產(chǎn)生的附加彎矩；錯(cuò)層隔震時(shí)，相鄰隔震層的層間位移角不應(yīng)大于1/1000；隔震層的質(zhì)量中心和剛度中心宜重合，在設(shè)防地震作用下的偏心率不宜大于3%。隔震層以上的上部結(jié)構(gòu)與周邊任何固定物均應(yīng)有隔離空隙。水平隔離空隙為30mm，豎向隔離縫（隔震溝）為1.2倍罕遇地震時(shí)隔震支座最大水平位移。

隔震層無法隔離豎向地震作用的影響，因此《抗規(guī)》有規(guī)定，確定隔震層以上結(jié)構(gòu)的抗震措施時(shí)，與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震構(gòu)造措施不應(yīng)降低，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是指墻、柱軸壓比要求。

2.2 減震設(shè)計(jì)方式

民用建筑中的減震設(shè)計(jì)一般采用消能減震方式。消能減震設(shè)計(jì)指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，通過消能器的相對變形和相對速度提供附加阻尼比，以消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期防震減震要求。

減震結(jié)構(gòu)中的消能器分為以下兩類：第一類是速度相關(guān)型消能器，第二類是位移相關(guān)型消能器。

速度相關(guān)型消能器指黏滯消能器和黏彈性消能器等；黏滯消能器只增加結(jié)構(gòu)的阻尼比，不提供剛度（剛度很?。虼藢Y(jié)構(gòu)周期沒有影響，通過增加結(jié)構(gòu)的阻尼比實(shí)現(xiàn)減小結(jié)構(gòu)基底剪力和層間位移的效果，有效減少結(jié)構(gòu)反應(yīng)（位移、速度、加速度）。粘滯阻尼器的布置型式有墻式、斜撐式、K字型等多種型式。

位移相關(guān)型消能器指金屬屈服消能器和摩擦消能器等，包括屈曲約束支撐（BRB）、軟鋼剪切消能器、摩擦型消能器、鉛消能器等。位移相關(guān)型消能器可以有效的增加結(jié)構(gòu)阻尼比，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)剛度，因此結(jié)構(gòu)設(shè)置位移相關(guān)型消能器后，結(jié)構(gòu)的周期變短，阻尼比增加。此類消能器對于減小結(jié)構(gòu)的總基底剪力效果有時(shí)侯并不顯著，但對于控制結(jié)構(gòu)位移效果顯著。

在消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要預(yù)先指定消能減震結(jié)構(gòu)所需達(dá)到的位移減震目標(biāo)，進(jìn)而求出所需的附加阻尼比。消能減震結(jié)構(gòu)之所以能提高建筑抗震性能，阻尼器起了關(guān)鍵作用。如何比較準(zhǔn)確的評估阻尼器的減震作用，這是減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題。在減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，引入附加阻尼比，可以在新的減震設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)之間建立一座相互連通的橋梁。這樣，就能有效地利用熟知的抗震設(shè)計(jì)方法來解決減震設(shè)計(jì)中的新問題。減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)附加阻尼比來考慮阻尼器的作用，從而確定減震后的地震作用減震效果通過減震前后的結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)地震力來體現(xiàn)[3]。

阻尼器在樓層平面內(nèi)的布置宜遵循“均勻、分散、對稱”的原則。阻尼器豎向布置需通過以下計(jì)算過程確定。先對非減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，確定層間位移角最大樓層，將阻尼器安裝在此樓層處，安裝數(shù)量根據(jù)具體情況而定，然后再對安裝了阻尼器的減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將阻尼器安裝到此時(shí)減震結(jié)構(gòu)的層間位移角最大樓層，如此循環(huán)直到將所有阻尼器安裝完畢。而在安裝過程中，需要注意的是某一層的阻尼器數(shù)量不能太多，當(dāng)某一層所需的阻尼器過多時(shí)，可以將其安裝到下面幾層中層間位移較大的樓層。計(jì)算結(jié)果證明阻尼器對其上部臨近幾層的減震效果要好于下部幾層，通過這種方法確定的阻尼器安裝位置能起到較好的減震效果，同時(shí)阻尼器基本保持沿樓層連續(xù)布置。

由于消能減震的設(shè)計(jì)方式適用性比較強(qiáng)，因此在很多建筑工程項(xiàng)目中都能有效發(fā)揮自身價(jià)值，而且在對已建成的建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行加固改造時(shí)也可采用，賦予其消能減震的性能。同時(shí)消能減震措施不僅可以應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也可以在鋼結(jié)構(gòu)中發(fā)揮良好的作用，提升鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用隔震減震技術(shù)的注意事項(xiàng)

3.1 選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)體型

設(shè)計(jì)人員進(jìn)行隔震減震設(shè)計(jì)工作時(shí)首先需要做好建筑體型設(shè)計(jì)工作，避免成為超限項(xiàng)目。通常情況下，建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑物的體型設(shè)計(jì)時(shí)，僅會注重功能使用需求以及建筑立面的美感，而忽視了結(jié)構(gòu)的體型是否規(guī)則，是否具有良好的抗震性能。而從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，如果建筑物具有不規(guī)則的體型，比如平面凹凸不規(guī)則，樓板開大洞口導(dǎo)致樓板不連續(xù)，豎向構(gòu)件收進(jìn)或懸挑，豎向構(gòu)件上下不連續(xù)貫通等，遇到地震時(shí)就很容易出現(xiàn)損毀。反之，如設(shè)計(jì)師將建筑物的體型設(shè)計(jì)成規(guī)則的結(jié)構(gòu)，盡量避免出現(xiàn)上述的不規(guī)則情況，遇到地震時(shí)受到損毀的概率就會降低。隔震結(jié)構(gòu)宜控制結(jié)構(gòu)高寬比小于4，對于高寬比較大的結(jié)構(gòu)小震下基礎(chǔ)不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且需進(jìn)行整體傾覆驗(yàn)算，防止支座壓屈。

3.2 準(zhǔn)確把握隔震減震設(shè)計(jì)的要求和特點(diǎn)

確定結(jié)構(gòu)的隔震減震方案時(shí)，可根據(jù)建筑的抗震設(shè)防分類、抗震設(shè)防烈度、場地條件、使用功能及建筑方案特點(diǎn)，從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行綜合分析對比。

例如，某地區(qū)的人民醫(yī)院病房樓項(xiàng)目建筑高度50m，抗震設(shè)防烈度為8度，地震基本加速度值為0.2g、建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.40s，結(jié)構(gòu)高寬比為2.0，結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框架—剪力墻，抗震等級為剪力墻一級、框架二級。

本工程為醫(yī)院屬于重點(diǎn)設(shè)防類，《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》第2.3.2條規(guī)定：重點(diǎn)設(shè)防類應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施，故應(yīng)按9度確定結(jié)構(gòu)抗震等級。同時(shí)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.1.3條規(guī)定：隔震結(jié)構(gòu)底部剪力比不大于0.5時(shí)，上部結(jié)構(gòu)可按本地區(qū)設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施。據(jù)此隔震結(jié)構(gòu)控制底部剪力比小于0.5之后，可按8度確定結(jié)構(gòu)抗震等級，減震結(jié)構(gòu)同樣有類似規(guī)定。

初步方案為采用隔震結(jié)構(gòu)，在地下室頂板設(shè)置隔震層。因隔震層增加了一個(gè)結(jié)構(gòu)層的建設(shè)成本；同時(shí)導(dǎo)致基礎(chǔ)底標(biāo)高降低，增加了基坑開挖費(fèi)用和支護(hù)費(fèi)用；并且隔震層需占用部分建筑面積指標(biāo)，但因?qū)痈咻^低，無實(shí)際使用功能。甲方要求對本項(xiàng)目分別按隔震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后對比分析計(jì)算結(jié)果，選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

經(jīng)過建模計(jì)算，在規(guī)范技術(shù)方面，本項(xiàng)目病房樓采用減震方案時(shí)，最大樓面水平加速度均超過《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定的限值，不能滿足此技術(shù)導(dǎo)則的要求；建設(shè)造價(jià)成本方面，隔震結(jié)構(gòu)雖因設(shè)置隔震層需增加土方開挖費(fèi)用及隔震支座費(fèi)用，但減震結(jié)構(gòu)為滿足規(guī)范規(guī)定的變形及承載力要求，需將墻、柱、梁的構(gòu)件截面增大較多且配筋較大，導(dǎo)致減震結(jié)構(gòu)的混凝土及鋼筋用量都高于隔震結(jié)構(gòu)，并且減震結(jié)構(gòu)需設(shè)置型鋼子框架增加了型鋼費(fèi)用以及阻尼器費(fèi)用。建筑適用性方面，減震結(jié)構(gòu)相較隔震結(jié)構(gòu)的墻、柱構(gòu)件截面增大較多，對建筑使用面積、使用功能及樓層凈高同樣有較大影響。

經(jīng)以上幾方面的對比，結(jié)合本項(xiàng)目的具體情況，最終確定采用隔震設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行隔震減震設(shè)計(jì)時(shí)首先需要準(zhǔn)確把握隔震減震設(shè)計(jì)的相關(guān)政策和規(guī)范要求，其次要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況綜合對比分析，這樣才能設(shè)計(jì)出安全、合理、經(jīng)濟(jì)的隔震減震建筑。

3.3 隔震建筑中設(shè)備專業(yè)需采取的措施

隔震建筑不僅需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度合理布置隔震支座，滿足結(jié)構(gòu)位移、偏心率等要求，同時(shí)應(yīng)與設(shè)備專業(yè)緊密配合，采取合理的構(gòu)造措施保證隔震建筑在地震中確保設(shè)備管線等不被破壞。

在2022年瀘定6.8級地震中，甘孜州燕子溝鎮(zhèn)某學(xué)校的行政樓，雖然采用了減隔震組合技術(shù)，但由于設(shè)備專業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮隔震措施，在地震時(shí)隔震的主樓產(chǎn)生了較大的水平位移，導(dǎo)致與非隔震的配樓之間連接的大量設(shè)備管線被拉斷、水管破裂，影響了震后的正常使用功能。

在確保主體結(jié)構(gòu)在地震時(shí)應(yīng)安全的同時(shí)，需保證震后建筑正常使用功能不受影響，對穿越隔震層的管線應(yīng)采用相應(yīng)處理措施：電線在隔震層處留足多余的長度。上下水管、消防管穿越隔震層處應(yīng)設(shè)置柔性段，采用立管的方式，應(yīng)能保證發(fā)生規(guī)定的位移。當(dāng)管道穿越隔震支座標(biāo)高時(shí)，應(yīng)保證管道及附件與結(jié)構(gòu)的最小距離不小于300mm，當(dāng)管道有法蘭、閥件、支吊架等附屬物時(shí)，間距按附屬物外邊緣計(jì)算。供回水管道、防排煙風(fēng)管穿越隔震層時(shí)，采用柔性連接或其他有效措施適應(yīng)隔震層在罕遇地震作用下對水平位移的要求。當(dāng)利用結(jié)構(gòu)鋼筋作避雷線時(shí)，應(yīng)在隔震支座的上下連接板之間用銅絲聯(lián)接，當(dāng)專設(shè)避雷線時(shí)，應(yīng)在隔震層處留足多余的長度。燃?xì)夤艿啦灰舜┰礁粽饘?，?dāng)必須穿過時(shí)，入口段穿墻前應(yīng)根據(jù)罕遇地震作用下對水平位移的大小，設(shè)置金屬波紋管連接，并設(shè)置手動及緊急自動切斷閥。防排煙風(fēng)管穿越隔震層時(shí)，應(yīng)根據(jù)罕遇地震作用下對水平位移的要求，采用耐火柔性連接并掛在隔震層梁上，且要求距離墻和柱的距離不小于450mm。

3.4 隔震減震設(shè)備的安裝、維護(hù)、檢修

應(yīng)制定和執(zhí)行對隔震減震設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)的計(jì)劃。設(shè)備應(yīng)在室內(nèi)干燥環(huán)境下使用，在正常使用情況下可進(jìn)行定期檢查，在遭遇地 震、強(qiáng)風(fēng)、火災(zāi)等災(zāi)害后應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急檢查。隔震減震部件的改裝、修理、更換或加固，應(yīng)在有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行。采用的隔震支座產(chǎn)品和阻尼裝置應(yīng)通過型式檢驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)。型式檢驗(yàn)除滿足產(chǎn)品的相關(guān)規(guī)定外，使用產(chǎn)品的型式檢驗(yàn)報(bào)告有效期不得超過6年。出廠檢驗(yàn)報(bào)告只對采用該產(chǎn)品的項(xiàng)目有效，不得重復(fù)使用。

不得有任何固定物對上部結(jié)構(gòu)的水平移動形成阻擋。所有豎向隔離空隙形成的水平縫均充填柔性粘結(jié)膠料，以防鼠蟲等爬入或砂塵、風(fēng)雨飄入。

4 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展，各種新的隔震減震理念和設(shè)計(jì)方法不斷應(yīng)用于建設(shè)工程中，不僅滿足了建筑物防震減震的要求，而且在很大程度上促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)努力掌握隔震減震技術(shù)的理論知識、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，做好隔震減震設(shè)計(jì)工作，提高建筑物的抗震性能，確保建筑物的安全性。