高层建筑中的隔震结构

2010-08-15李明军

山西建筑 2010年14期

李明军

地震是一种自然灾害，地震具有突发性的特点，至今可预报性仍然很低，我国属地震多发国家，因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。

1 结构隔震的原理与隔震结构的特点

1.1 结构隔震的概念与原理

在建筑物基础与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，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输，以减少建筑物的地震反应，实现地震时建筑物只发生轻微运动和变形，从而使建筑物在地震作用下不损坏或倒塌，这种抗震方法称之为房屋基础隔震。其原理是通过设置隔震装置系统形成隔震层，延长结构的周期，适当增加结构的阻尼，使结构的加速度反应大大减少，同时使结构的位移集中于隔震层，上部结构像刚体一样，自身相对位移很小，结构基本上处于弹性工作状态，从而使建筑物不产生破坏或倒塌。

1.2 隔震结构的特点

抗震设计的原则是在多遇地震作用下，建筑物基本不产生损坏;在罕遇地震作用下，建筑物允许产生破坏但不倒塌。按抗震设计的建筑物，不能避免地震的强烈晃动，当遭遇大地震时，虽然可以保证人身安全，但不能保证建筑物及其设备及设施安全，而且建筑物由于严重破坏常常不可修复。如果用隔震结构就可以避免这类情况发生，隔震结构通过隔震层的集中大变形和所提供的阻尼将地震能量隔离或耗散，地震能量不能向上部结构全部传输，因而，上部结构的地震反应大大减小，震动减轻，结构不产生破坏，人员安全和财产安全均可以得到保证。

1.3 隔震结构的优点

提高地震时结构的安全性;上部结构设计更加灵活，抗震措施简单明了;防止内部物品的震动、移动、翻倒，减少了次生灾害;防止非结构构件的损坏;抑制了震动时的不舒适感，提高了安全感和居住性;可以保持机械、仪表、器具的功能;震后无需修复，具有明显的社会效益和经济效益;经合理设计，可以降低工程造价。

1.4 隔震结构的适用范围

隔震结构的适用范围包括:医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑;首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋;图书馆和纪念性建筑;一般工业与民用建筑。

2 隔震系统的组成与类型

2.1 隔震系统的组成

隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微震动与风反应控制装置等部分组成。在实际应用中，通常可使几种功能由同一元件完成，以方便使用。

隔震器的主要作用是:一方面在竖向支撑建筑物的重量，另一方面在水平方向具有弹性，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应，能提供较大的变形能力和自动复位能力。

阻尼器的主要作用是:吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位。

地基微震动与风反应控制装置的主要作用是:增加隔震系统的初期刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。

2.2 隔震系统的类型

常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。目前国内外应用广泛的是叠层橡胶支座，它又可分为普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。

常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞性阻尼器、摩擦阻尼器等。

常用的隔震系统主要有叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移加阻尼器隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统等。

目前，隔震系统形式多样，各有其优缺点，并且都在不断发展。其中叠层橡胶支座隔震系统技术相对成熟，应用最为广泛，尤其是铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座系统，由于不用另附阻尼器，施工简便易行，在国际上十分流行。我国《建筑抗震设计规范》和《夹层橡胶垫隔震技术规程》仅针对橡胶隔震支座给出了有关的设计要求。

3 隔震结构的设计要求

3.1 隔震的要求

隔震主要用于高烈度地区或使用功能有特别要求的建筑以及符合以下各项要求的建筑:

1)不隔震时，结构基本周期小于1.0 s的多层砌体房屋、钢筋混凝土框架房屋等。2)体型基本规则，且抗震计算可采用底部剪力法的房屋。3)建筑场地宜为1，2，3类，并应选用稳定性较好的基础类型。4)风荷载和其他地震作用以及水平荷载不宜超过结构总重力的10%。

隔震建筑方案的采用，应根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，进行技术、经济可行性综合比较分析后确定。

3.2 隔震层的设置

隔震层的布置应符合下列要求:1)隔震层可由隔震支座、阻尼装置和抗风装置组成。阻尼装置和抗风装置可与隔震支座合为一体，亦可单独设置，必要时可设置限位装置。2)隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合。3)隔震支座的平面布置宜与上部结构和下部结构的竖向受力构件的平面位置相对应。4)同一房屋选用多种规格的隔震支座时，应注意充分发挥每个橡胶支座的承载力和水平变形能力。5)同一支承处选用多个隔震支座时，隔震支座之间的净距应大于安装操作所需要的空间要求。6)设置在隔震层的抗风装置宜对称，分散地布置在建筑物的周围或附近。

4 上部结构的地震作用和抗震措施

目前的叠层橡胶隔震支座只具有隔离或耗散水平地震的功能，对竖向地震隔震效果不明显，为了反映隔震建筑隔震层以上结构水平地震反应减小这一情况，引入“水平向减震系数”。地震作用计算时，应对水平地震影响系数最大值进行折减。

5 隔震结构

5.1 对隔震装置的要求

1)隔震体系是指在结构物底部与基础面之间设置某些隔震消能装置而构成的结构体系。该隔震消能装置必须具备三项特性:a.使结构在基础面上柔性滑动，有效的降低结构的加速度反应。b.具有足够的初始刚度，以满足正常使用要求，当强地震发生时(P≥Py)，体系进入滑动消能状态。c.提供较大的阻尼，具有较大的消能能力，以降低结构的位移反应。

2)为了满足上述的三项特性，常用于隔震体系的隔震消能装置有如下几种:a.夹层橡胶垫隔震装置。橡胶垫既可用天然橡胶，也可用人工合成橡胶。为了提高橡胶垫块的垂直承载力和垂直刚度，采用钢板夹层橡胶垫块。我国已在某地的厂房结构中采用这种隔震装置，目前正在施工的南方汕头市的多层住宅中也采用了这种隔震体系。b.滚珠(或滚轴)隔震加钢板消能装置，包括软钢消能杆件等。我国与加拿大学者对这种隔震装置进行了一系列的试验研究，取得了很有价值的成果。c.粉粒垫层隔震装置。用精选的圆形砂粒或滑石、石墨或砂浆等作为滑动层，起隔震消能作用。我国已建成用砂粒作为隔震层的某4层民用砖石房屋。最近又在某地建成采用石墨作隔震层并用钢棒作为消能装置的某5层砖石房屋。