建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)分析

楊毅哲

（許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

為保障建筑結(jié)構(gòu)達到地區(qū)建筑抗震等級，建筑工程人員必須重點分析，如摩擦擺隔震支座、滑板式隔震支座及橡膠隔震支座等隔震技術(shù)應(yīng)用方式，并深入研究其在整體建筑工程應(yīng)用過程中的力學(xué)性能與耐久性，結(jié)合數(shù)學(xué)公式來構(gòu)建虛擬動力模型，從而使房屋建筑達到工程要求的抗震等級。

1 建筑工程隔震技術(shù)分類

1.1 橡膠隔震支座

在橡膠鉛芯隔震支座裝置制作與加工時，工作人員必須基于常規(guī)橡膠隔震支座裝置結(jié)構(gòu)，運用開孔注鉛方式加以改造，進而有效減弱地震破壞、降低隔層位移度。該裝置作為一種高阻尼隔震設(shè)備，可在最大限度上保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減弱地震事故對樓層建筑結(jié)構(gòu)的損傷。隨著近年來國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)水平不斷提高，相關(guān)學(xué)者已通過不斷實踐來驗證橡膠隔震支座裝置的應(yīng)用效果。但就目前裝置應(yīng)用情況來看，其在裝置性能與加工材料質(zhì)量方面仍然存在一定缺陷。故而，可在原有結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，將鋼板與膠層緊密黏合到一起，并根據(jù)工程項目實際情況，采用科學(xué)合理的黏合技術(shù)工藝與黏合材料，進而提升整體裝置性能。除此之外，橡膠材料本身的耐久性是保障整體隔震結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在，而橡膠材料能否保持應(yīng)有的耐久性則主要取決于材料本身蠕變及氧化反應(yīng)。如將適量抗氧化劑加入橡膠結(jié)構(gòu)當中，可有效減弱材料氧化反應(yīng)進而提升材料耐久性。因此，必須保障橡膠材料本身性能與質(zhì)量符合項目標準。從該裝置目前實際應(yīng)用狀態(tài)來講，其實際使用壽命普遍高于工程建筑結(jié)構(gòu)使用年限，故而可滿足絕大部分建筑工程隔震需求[1]。

就目前實際情況而言，對于橡膠鉛芯隔震支座裝置的應(yīng)用研究，多集中于裝置阻尼、水平剛度、豎向剛度和軸向拉伸破壞等性能指數(shù)方面，而針對支座裝置本身抗破壞性能方面的實踐與測試卻少之又少。因此，必須基于產(chǎn)品性能使用標準，結(jié)合橡膠隔震裝置最大豎向受拉承受力標準，進行深入研究提升裝置抗剪破壞性能方法。而若想實現(xiàn)這一基本目標，則必須針對隔震支座裝置特性運用結(jié)構(gòu)有限元分析方法，來彌補傳統(tǒng)以Haringx 理念為核心的隔震裝置分析研究中潛在的缺陷與不足，合理設(shè)計試驗過程、控制試驗成本、提升試驗數(shù)據(jù)的真實性與準確性。因考慮到該裝置材料性能與構(gòu)造機理的復(fù)雜性，在測試試驗實施過程中，必須做好下列幾點。第一，提升對結(jié)構(gòu)裝置力學(xué)性能數(shù)據(jù)檢測的準確性，并將整體試驗數(shù)據(jù)詳細記錄，為后續(xù)類似工程試驗提供豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)。第二，提升裝置抗剪力學(xué)試驗的測試精度，全面掌握裝置材料性能特點。第三，增強對直徑規(guī)格相對較大的疊層橡膠裝置的力學(xué)性能研究，并反復(fù)測試其各種復(fù)雜環(huán)境下的力學(xué)性能變化。除此之外，還應(yīng)通過科學(xué)合理的方法研究材料力學(xué)性能在各種狀態(tài)下的變化特征?？偠灾跇?gòu)建現(xiàn)代建筑工程建筑結(jié)構(gòu)隔震裝置階段，通常來講，在橡膠隔震加工與制作時，無需實施大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。只需根據(jù)工程項目實際要求，結(jié)合材料特性制定科學(xué)的隔震裝置加工方案，保證橡膠隔震裝置加工與制作時，使各項參數(shù)數(shù)據(jù)均能滿足工程項目中各類附件要求即可。而對于橡膠支座裝置變形性能測試與應(yīng)力值測試階段，則需采用適當方法通過相關(guān)數(shù)學(xué)公式進行數(shù)據(jù)計算，進而保障隔震裝置各項性能指數(shù)都能滿足工程項目需求。

1.2 滑板式隔震支座

現(xiàn)階段，在相關(guān)工程中廣泛應(yīng)用的滑板式隔震支座裝置普遍擁有多種摩擦滑移面，其中主要包括不銹鋼板、砂墊層及石墨層等接觸面，尤其對于不銹鋼與聚四氟乙烯（PTEE）材質(zhì)接觸面的滑移摩擦應(yīng)用，其擁有穩(wěn)定的使用性能完全能夠滿足現(xiàn)代大量建筑工程隔震需求。如將隔震設(shè)施表面采用不銹鋼摩擦板來制作，可首先對其實施拋光處理，并在處理完成后將表面區(qū)域均勻涂抹一層硬化樹脂，以此來增強不銹鋼摩擦板裝置本身的堅固性和耐磨性，進而滿足各種工程項目隔震裝置應(yīng)用需求。而隨著相關(guān)學(xué)者對隔震裝置的不斷研究和實踐，已將一款擁有良好使用性能的摩擦阻尼全密封鎖型隔震支座裝置研發(fā)成功，其主要采用聚四氟乙烯材質(zhì)制作的有機滑板與鋼板。在實際應(yīng)用過程中，可采取高度重疊方式，來保障裝置本身在遭遇地震產(chǎn)生位移時，裝置位移范圍能夠均勻分散于各個摩擦截面。該裝置從本質(zhì)上來講屬于純摩擦型隔震滑動裝置，盡管在實際應(yīng)用過程中相較于其他隔震裝置有著明顯優(yōu)勢，但也同樣擁有一定缺陷。如該裝置自動復(fù)位功能相對較差，對于經(jīng)過地震事故后而產(chǎn)生的變形無法自動修復(fù)且處理難度極大。而目前工程人員已通過不斷研究和實踐，設(shè)計出了一款擁有強大自動復(fù)位功能的滑板式建筑結(jié)構(gòu)隔震支座裝置，并將逐步應(yīng)用于現(xiàn)代建筑隔震系統(tǒng)建設(shè)當中。相關(guān)學(xué)者在對該裝置摩擦系數(shù)研究時發(fā)現(xiàn)，其整體摩擦系數(shù)值會隨著裝置承壓強度而產(chǎn)生變化，滑動摩擦系數(shù)在摩擦頻率較低的情況下也會不斷增加，直到達到0.15m/s 摩擦速度停止增長。此外，摩擦系數(shù)會隨著環(huán)境溫度增長而減弱，其可使用相應(yīng)的潤滑劑來減弱相應(yīng)的接觸面摩擦系數(shù)[2]。

由于隔震裝置在建筑使用期間，極易因各種環(huán)境因素而引起傾覆失穩(wěn)反應(yīng)。故在實際設(shè)計過程中必須根據(jù)工程建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)實際重量來布設(shè)隔震裝置。必須根據(jù)地震覆蓋力矩指數(shù)來布設(shè)隔震裝置抗傾覆力矩參數(shù)，若無法通過建筑自身重量來設(shè)計傾覆力矩值，那么就必須依據(jù)建筑上部結(jié)構(gòu)與支座裝置本身來布設(shè)抗傾覆措施，進而避免隔震裝置傾覆失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。通過實際調(diào)查得知，該隔震裝置在實際工程中應(yīng)用頻率較低，其根本原因在于關(guān)于該裝置的應(yīng)用規(guī)范和應(yīng)用標準較少。

1.3 摩擦擺隔震支座

摩擦擺隔震支座裝置屬于一種擁有復(fù)位控制功能的建筑結(jié)構(gòu)隔震裝置，合理運用該裝置可有效提升建筑結(jié)構(gòu)的整體使用性能、增強建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在最大限度上降低地震事故對建筑結(jié)構(gòu)的損害。在實際應(yīng)用階段，可將滑塊裝置布設(shè)于該裝置凹曲面底盤上，一旦隔震裝置在地震作用下產(chǎn)生任何水平移動，底片凹曲面的滑塊便會由下到上開始滑動，減少隔震裝置位移距離。而當建筑結(jié)構(gòu)上部受到地震重力作用時，滑塊裝置便會自動從高到低移動，進而完成自動復(fù)位動作。通常來講，在建筑工程隔震裝置中所布設(shè)滑塊，其本身曲率半徑設(shè)計值應(yīng)基于底盤曲面曲率半徑值而定。此外，應(yīng)在滑塊滑動裝置底盤曲面上均勻涂抹如PTFE 等擁有較小摩擦力的材料，而針對上部滑塊裝置的設(shè)計則必須按照曲面模式實施，進而保障整體滑塊裝置能夠根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)隔震需求而自由滑動。同時，在實際布設(shè)滑塊裝置時，還應(yīng)充分考慮到底盤裝置曲面曲率與支座裝置剛度值，對隔震裝置摩擦復(fù)位所形成的負面影響。

相關(guān)學(xué)者在對摩擦擺隔震支座裝置基本性能研究試驗時發(fā)現(xiàn)，該裝置在實際運用時具有良好的耐久性與滯回性，且可在長期遭受荷載壓力及溫度變化的情況下，始終保持應(yīng)有的可靠性與穩(wěn)定性。除此之外，在經(jīng)過一系列性能試驗后得知，合理運用該裝置可有效延長工程項目上部建筑結(jié)構(gòu)本身的自振周期，降低上部建筑結(jié)構(gòu)因地震作用而產(chǎn)生的負面影響，在保障自身復(fù)位能力與穩(wěn)定性的同時，最大限度防護建筑工程建設(shè)結(jié)構(gòu)、提升整體建筑結(jié)構(gòu)的安全性，擁有巨大的應(yīng)用價值[3]。

2 隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1 隔震支座的力學(xué)性能分析

2.1.1 橡膠鉛芯支座裝置的水平性能測試

因橡膠鉛芯支座裝置普遍擁有較好的阻尼性能，故而可在無需增設(shè)任何阻尼裝置的情況下，將其獨立布設(shè)在隔震設(shè)施當中。橡膠鉛芯支座裝置在受到建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載力時，其主要體現(xiàn)在水平荷載與裝置位移之間的線性變化。而當裝置在遭遇凈力荷載時，其主要體現(xiàn)在水平恢復(fù)力與裝置之間的線性變化。此期間必須注意的是，在支座裝置性能指數(shù)評測中水平剛度作為一項重要參考指數(shù)，其整體剛度大小嚴重影響著整體裝置在遭遇地震時的形態(tài)轉(zhuǎn)換。雖然在大部分建筑工程隔震措施布設(shè)過程中，會在支座裝置底部配備相應(yīng)的鋼板來防止其在地震作用下產(chǎn)生變形，但鋼板防護裝置卻對支座本身剪切變形方面的防護作用極小，故而將支座裝置作為豎向剪切梁來計算整體裝置的水平剛度指數(shù)，進而對支座裝置性能實施有效測評。

2.1.2 橡膠鉛芯支座裝置豎向性能測試

橡膠鉛芯支座裝置通常擁有較強的豎向承載力，可承受長時間重力荷載。但在實際安裝布設(shè)過程中，裝置必須合理控制本身豎向變形度，進而保障建筑結(jié)構(gòu)不會因支座裝置過度變形而降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該支座裝置在豎向性能參數(shù)方面與常規(guī)疊層支座相同，都有著明確的性能指數(shù)要求，而其中最為關(guān)鍵的性能參數(shù)主要包括裝置結(jié)構(gòu)的最大剪壓應(yīng)力、最大豎向拉應(yīng)力與豎向剛度。其詳細性能參數(shù)計算與設(shè)計要求如下。第一，通常來講，橡膠支座裝置在建筑使用過程中會始終處于承壓狀態(tài)，若外部豎向剪力與豎向荷載力作用同時發(fā)生，則極易使裝置本身產(chǎn)生水平變形，嚴重時則會壓斷支座。依據(jù)大部分工程項目及國家規(guī)定，支座裝置最大豎向拉應(yīng)力指數(shù)必須高于1.5 MPa。一旦支座裝置在后續(xù)使用過程中產(chǎn)生變形，則必然會大幅度降低本身豎向剛度，因此，必須在實際工程實施過程中，合理設(shè)計支座裝置豎向拉應(yīng)力最大參數(shù)值。除此之外，建筑結(jié)構(gòu)隔震支座裝置通常在遭遇一定的壓力后，裝置荷載位移與硬化彈簧處于一致狀態(tài)。第二，豎向剛度通常指的是建筑隔震結(jié)構(gòu)中支座單位在產(chǎn)生一定豎向位移時所形成的豎向力，其裝置本身橡膠層在裝置移位時所形成的剪切變形與壓縮變形總和。具體裝置豎向剛度計算，如公式（1）所示。

式中：KV代表橡膠材料裝置修正系數(shù)值，Ec代表壓縮后的橡膠材料裝置彈性模量，TR則代表橡膠層裝置總厚度。

2.2 隔震結(jié)構(gòu)的動力模型設(shè)計

隔震裝置在應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常上部結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度較大且具備優(yōu)美、勻稱的外部形態(tài)，而隔震層區(qū)域裝置剛度卻遠不如上部結(jié)構(gòu)。故而，一旦房屋建筑遭遇地震，則極易引起隔震支座裝置產(chǎn)生水平位移或改變外部基本形態(tài)。而因地震造成的負面作用力無法很難上升到建筑上部結(jié)構(gòu)區(qū)域，因此上部建筑結(jié)構(gòu)區(qū)域在遭遇地震時通常只會產(chǎn)生不同程度的水平運動。在多層建筑隔震措施建設(shè)工程中，隔震裝置本身剛度和阻尼度可完全取代整體系統(tǒng)剛度與阻尼度。因此，只需設(shè)計單質(zhì)點動力隔震結(jié)構(gòu)分析模型，來計算分析基礎(chǔ)裝置設(shè)施在遭遇地震時的反應(yīng)速度。除此之外，因高層建筑本身寬度與高度較大，而建筑上部結(jié)構(gòu)之間的樓層層間剛度普遍較小。上部建筑結(jié)構(gòu)會在遭遇地震事故后產(chǎn)生一定的水平運動，進而引起結(jié)構(gòu)剪切變形。因此，可將整體建筑作為多支點體系實施隔震布設(shè)，并基于相關(guān)計算公式來設(shè)計整體隔震裝置參數(shù)[4]。

2.3 基礎(chǔ)隔震裝置的耐久性分析

現(xiàn)階段，我國多數(shù)建筑為50 年使用年限，而隔震支座裝置實際使用年限卻遠遠高于50 年。如西方某國在鐵路橋段布設(shè)的橡膠支座隔震裝置如今已經(jīng)過百年，相關(guān)裝置依然能夠保持良好的隔震性能。而目前多數(shù)橡膠隔震支座裝置都采用了相應(yīng)的外圍保護劑和抗老化劑，使得大部分隔震裝置實際使用年限早已超過多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命，即使在整體使用過程中因地震原因需要優(yōu)化或更換支座裝置，實際操作難度也相對較低。由此可見，現(xiàn)代隔震裝置普遍擁有極強的耐久性。

3 實例分析

3.1 工程概況

以某居民住宅建筑工程為例，該工程建筑共有20 層地上建筑，建筑總面積達到3.3 萬m2，屬于典型的高層居民住宅建筑工程。此外，該建筑工程主要采用雙塔剪力墻形式來布設(shè)內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)，工程所在地為9 度抗震防裂度，該市分為三級地震等級，而本次案例工程項目施工場地所處區(qū)域?qū)儆谝患壏勒饏^(qū)，對整體建筑結(jié)構(gòu)抗震性能有著極高的要求。因此，經(jīng)過相關(guān)人員研究后最終決定，本次案例建筑工程主要采用雙塔結(jié)構(gòu)建造，并在建筑中心區(qū)域布設(shè)一條50～60 cm 寬度的抗震縫，結(jié)合工程實際情況計算各個區(qū)域建筑抗震參數(shù)，整體采用隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模式實施。

3.2 隔震設(shè)計分析

3.2.1 方案分析

本次建筑工程隔震設(shè)計方案，主要包括以下兩方面：第一，抗風承載力設(shè)計方案。鑒于本次案例工程整體建筑結(jié)構(gòu)防震等級要求較高，必須合理布設(shè)相應(yīng)的隔震措施。而工程建筑結(jié)構(gòu)重力約為25 萬kN，相關(guān)人員在經(jīng)過一系列風荷載數(shù)據(jù)計算后得知，在風荷載作用下的建筑結(jié)構(gòu)達到2 814.9 kN 水平力值，其完全能夠滿足10%的建筑總重力要求。結(jié)合關(guān)于橡膠疊層支座裝置相關(guān)的隔震技術(shù)要求，本次案例工程在設(shè)計抗風裝置時風荷載數(shù)據(jù)計算，如公式（2）所示。

式中：γw為整體建筑風荷載數(shù)值中分項系數(shù)值（本次案例項目工程將其設(shè)定為1.4），Vwk為水平風荷載在建筑結(jié)構(gòu)隔震層區(qū)域的全部作用力，VRw則代表整體建筑結(jié)構(gòu)所受到的風荷載。除此之外，本次案例工程項目共設(shè)計了LRB型隔震支座56 個，基于上述計算公式來計算建筑結(jié)構(gòu)隔震裝置的設(shè)計屈服強度值，即1.4×2 814.9＝3 940.9 kN＜56×203=11 368 kN，上述計算數(shù)據(jù)完全符合工程項目相關(guān)要求。

第二，對于支座裝置在罕遇地震環(huán)境下的位移值與豎向承載力參數(shù)設(shè)計。設(shè)計人員在經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)測試計算后，將本次案例工程建筑結(jié)構(gòu)豎向壓力設(shè)定為12.82 MPa，整體數(shù)值低于支座裝置本身的豎向壓力值。而在罕遇地震環(huán)境下，內(nèi)部隔震支座裝置水平位移度也必須滿足相關(guān)設(shè)計要求，應(yīng)低于0.55 倍支座裝置的有效寬度，且不應(yīng)高于3 倍以上的支座裝置實際厚度。因此，本次案例工程主要采用1 000 mm 直徑的隔震支座裝置，最終測算出其最大位移距離為451 m，完全能夠滿足本次案例工程設(shè)計要求。

3.2.2 隔震支座性能分析

本次案例工程項目隔震支座裝置性能參數(shù)由具體的供應(yīng)商提供，且應(yīng)滿足以下幾點要求。第一，支座裝置在經(jīng)過地震后的修復(fù)能力，必須符合工程項目要求。第二，在遭遇地震時支座裝置水平位移范圍，必須符合工程項目要求。第三，支座裝置區(qū)域因受到水平位移影響所產(chǎn)生的剪力，必須符合工程項目要求[5]。第四，支座裝置區(qū)域的承載能力與豎向剛度必須符合工程項目要求。本次案例工程項目支座裝置力學(xué)性能如下：LRB1000（A）支座裝置總橡膠層厚度不得低于185 mm，將支座裝置屈服力設(shè)定為204 kN，將屈服變形之前支座裝置剛度為27.1kN/mm、屈服變形之后支座裝置剛度為2.05kN/mm，等效水平支座裝置剛度值設(shè)定為3.18kN/mm，將支座裝置豎向剛度設(shè)定為4200kN/mm，使用套數(shù)設(shè)定為57 套。LRB1000（B）支座裝置總橡膠層厚度不得低于185mm，等效水平支座裝置剛度值設(shè)定為1.42 kN/mm，將支座裝置豎向剛度設(shè)定為3800kN/mm，使用套數(shù)設(shè)定為27 套。

3.3 隔震層支座施工注意事項

應(yīng)在安裝支座預(yù)埋件后，對支座裝置區(qū)域主筋及預(yù)埋錨筋等實施全面點焊作業(yè)，并保障預(yù)埋套筒在點焊作業(yè)過程中始終保持鉛直狀態(tài)，緊密連接各個預(yù)埋板，避免各個連接裝置間出現(xiàn)間隙裂縫。除此之外，還應(yīng)在相關(guān)裝置整體安裝完畢后二次復(fù)核預(yù)埋板裝置標高和水平度，進而將整體裝置安裝誤差控制在工程項目允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)束語

綜上所述，抗震能力作為評價現(xiàn)代房屋建筑工程質(zhì)量的一項重要指標，同時也是保障建筑結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。因此，工程建設(shè)人員必須充分重視此階段的施工布設(shè)，采用適合的隔震技術(shù)，制定適合房屋建筑工程項目的隔震施工方案，進而為人們提供一個健康、安全的生活空間。