隔震技术在建筑物抗震设防中的应用和推广

北京市地震局 罗桂纯

我国是一个地震多发国家，如何减少地震造成的人员伤亡和经济损失，是我们一直努力的方向。加强建筑物抗震性能，减少房屋倒塌，是解决此问题的方法之一。传统抗震结构已经不能满足现在社会发展的需要，隔震技术应运而生。隔震技术是在建筑物的上部结构与下部结构之间设置隔震层来延长结构的自振周期、增大阻尼，以减少输入上部结构的地震能量，达到预期的防震要求。隔震技术是目前成熟有效的且较为安全、适用、经济的工程抗震技术之一。

隔震技术产生背景

地震是一种突发性、毁灭性的自然灾害。强烈地震使建（构）筑物破坏或者倒塌，造成大量的人员伤亡和经济损失。地震发生时，地面的振动会引起结构的地震反应。传统的做法是提高结构本身的强度和刚度来抵御地震作用，即依靠结构本身和承重构件的损坏来储存、转换和消耗地震能量，通常采用加强结构、增大构件截面尺寸、多加配筋等做法，使梁柱截面尺寸都非常大。但事实证明，这种方法很难抵抗大地震的破坏，而且大大增加了经济投入，得不偿失。还有一种做法就是延性抗震结构，即构件和结构屈服之后，在承载能力基本不降低的情况下，仍具有足够塑性变形能力。延性抗震结构能防止建筑物产生不合理的倒塌破坏，增强结构的耗能能力，保证结构形成耗能较好的破坏机制。事实证明，这种抗震结构与传统抗震结构相比，虽然大大提高了结构的抗震能力，但也存在结构的安全性难以保证、适用性和全面性受到限制、经济性欠佳以及震后修复难度大等问题。

传统做法已经不能适应现在社会的需要，人们开始研究新的既适用又经济的抗震方法，隔震技术就是其中的一种。隔震技术是通过对结构附加隔震装置，以调节和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰下的各项反应值被控制在允许范围内。

采用隔震技术，在大地震时能使建筑结构不损坏或仅仅轻微损坏，同时也能减轻救灾和灾后重建的压力，而且建筑物内部设施受地震影响也相应减小，并可减少建（构）筑物及设备的次生灾害损失，体现出显著的社会效益和间接经济效益。隔震技术以其明显的优越性，已经在实际工程中得到广泛应用，并通过诸多地震的实际检验取得了很好的效果。

隔震技术发展历史

隔震的概念早在20世纪初就有人提出。自上世纪60年代开始，新西兰、日本、美国等国家就开始了对隔震技术的系统研究。70年代起，新西兰学者W.H.Robinson等率先研发了铅芯橡胶支座，极大地推动了隔震技术的工程应用。至80年代，国外已经建造了数百座应用隔震技术的建筑和桥梁，步入了工程应用阶段。在1994年洛杉矶北岭地震以及1995年阪神地震中，采用橡胶支座的隔震建筑表现出了良好的隔震效果，从而在国际上引发了隔震应用的热潮。从国外的研究、应用情况看，以橡胶支座为代表的隔震建筑经历了近40年的时间，经受了强震的考验，是一项相对成熟的技术。

这项技术我国早就进行了深入研究。20世纪80年代开始，以华中理工大学唐家祥教授、中国建筑科学研究院周锡元院士、广州大学周福霖院士为代表的大批学者进行了大量的研究工作。90年代初期，周锡元院士和哈尔滨建筑大学刘季等联合承担了国家“八五”重大攻关课题“砌体结构隔震减震方法及工程应用研究”，并开展了从理论到应用的系统研究，进行了橡胶支座动力响应试验和实际工程的动力测试。该课题于1995年底通过鉴定验收，这是国内各研究机构、研究人员联合攻关的重大成果，也是橡胶垫层隔震技术的研究初步系统化、实用化的一个重大标志。同时，我国先后完成了从设计技术、施工技术、维护技术、相关产品开发到生产技术、产品质量检测检验以及相应的标准规范等一系列隔震成套技术的研究，形成了一套理论完整、技术先进、标准合理、适合推广应用的实用技术。

目前，我国已形成一系列关于隔震技术的标准和设计规范。这些技术规程、规范以及产品标准标志着我国的隔震技术规范体系基本建立，对保障和推动我国隔震技术的发展提供了强大的技术支持。

隔震结构与非隔震结构地震反应对比

隔震技术原理

隔震技术是在建筑物的上部结构与下部结构之间设置隔震支座（支持建筑物的质量）和阻尼器（吸收地震能量）等部件组成隔震层来延长结构的自振周期（使其远离地震时地面运动的卓越周期）、增大阻尼，以减少输入上部结构的地震能量，达到预期的防震要求。地震发生时，隔震支座在地震动力的作用下会发生水平位移，反复位移的方向和地震反复产生的动力方向相反，不仅能消耗地震能量，而且能使建筑物上部结构从剧烈的、由下到上不断放大的晃动变为只作长周期的、缓慢的、整体水平平动，因而上部结构在强震下基本处于弹性状态。研究表明，隔震装置能明显降低上部结构的地震反应，可使上部结构的加速度反应降低为传统结构加速度反应的1/4或更小。这样既能保证结构本身，又能保证结构物内部的装修和精密仪器不遭损坏，从而保证结构在地震作用下的安全性和适用性。

隔震橡胶支座

隔震技术的应用

近年来，橡胶垫层隔震建筑已在我国的很多地区得到广泛应用，如山西、新疆、云南、广东、江苏等多个省市自治区的一些建筑都有很多成功案例，并已覆盖了我国大部分地震区。

隔震技术在云南省的应用已具有相当的规模，且有一部分工程经历了几次地震的考验，证明了隔震房屋的良好抗震性能。截止到2011年，全国减隔震建筑约700多幢，云南就有近300多幢，减隔震技术的研究和推广应用处在全国前列。昆明新机场航站楼采用的当今国际先进的减隔震技术，用大型橡胶“隔震”支座，使建筑抗震性能大幅提高，达到建筑物能在大震下功能完好。航站楼主体工程已完工，成为世界上最大单体隔震建筑。昆明市东川区是Ⅸ度设防区，在东川建成了3栋十一二层的隔震建筑，其中最大单体面积达3.8万平方米，这是我国高烈度区建成的层数最高、面积最大的单体隔震建筑。多年来，云南省委、省政府十分重视防震减灾事业的发展。从2008年开始，启动了云南减隔震技术研发和生产基地建设，在地震重点危险区和重点监视防御区的县级以上医院、学校、幼儿园等人员密集场所，救灾物资储备库、博物馆、机场、桥梁等重要工程建筑物和党政机关等重要目标单位，以及重大通信和电力设施等方面，强制推进隔震垫减隔震技术，并推广使用轻型建筑材料。

2008年汶川8.0级大地震造成了大量的人员伤亡和工程结构破坏，经济损失巨大，而工程结构倒塌是导致人员伤亡的直接原因。在2013年芦山7.0级大地震中，与周边破坏严重的建筑物相比，芦山县人民医院外观完整且内部受损很小，是我国第一栋在震中区经过大震考验的隔震建筑物。芦山县人民医院在芦山地震的强烈震动下，表现了非常出色的隔震效果。北京市建筑设计研究院有限公司副总工程师、复杂结构研究所所长苗启松说：“特别期望以此工程为契机，大力推动隔震建筑，尤其是学校、医院建筑都应尽可能使用隔震建筑。”

近年来，北京地区也一直在大力推广隔震减震技术，提高建筑抗震能力。三里河三区12#地办公楼，是北京市首例应用隔震技术的大型重要的公共建筑，虽然工程结构的造价较普通混凝土结构的造价每平方米增加60元，但考虑到震后损失较小，结构仍能正常使用，因此，总体来说结构的综合经济指标要比普通混凝土结构低。北京西单大悦城采取建筑物间的局部抗震技术，在地震发生时，橡胶隔震垫可以有效地吸收地震能量。但在设计时没有考虑到由于橡胶隔震垫的老化或是突遇火灾等突发事件时损毁问题，若设计时采用可拆卸橡胶隔震垫技术则可以解决这些问题。北京通惠家园住宅工程是北京首家大面积使用多层房屋夹层橡胶垫隔震技术的工程。多层房屋夹层橡胶垫隔震技术是一种新的隔震技术，具有技术工艺新、技术含量高的特点。其产品是由多层橡胶和多层钢板以及其它材料交替叠置结合而成，是一种耐力极大、水平钢度较小、水平侧移容许值较大的装置。它既能化解水平地震作用，又能承受竖向地震作用，具有隔震效果明显、稳定，能有效地吸收地震能量，减少上下地震反应，耐反复荷载、耐疲劳、耐老化等特性。北京当代MOMA工程位于北京东城区香河园路1号，总建筑面积220000平方米，地下2层连为一体，地上由9个最高有21层的塔楼及其他建筑组成。整个结构采用8个设有隔震支座的空中连廊将9幢主体塔楼依次相连，从而形成环形超大规模复杂连体结构。由于采用隔震支座，减弱了连体结构对主体结构的影响，从而使主体结构的设计难度大为降低，保证了结构的安全性。

鲁疃西路跨温榆河大桥

在北京，隔震技术不但应用在建筑结构中，在桥梁结构中也得到了很好的应用。鲁疃西路跨温榆河大桥，位于北京市昌平区北七家镇科技走廊与生态走廊相交的节点处，是南、北区域的重要交通联系通道，桥址周边规划了多座标志性特色建筑。设计预采用摩擦摆支座进行隔震。摩擦摆支座能显著地减小墩底弯矩，也会显著增加拱顶位移，但隔震后的拱顶位移主要由隔震支座水平形变引起，去除改平动位移后，拱顶变形较隔震前也明显减小。经过综合考虑隔震效果及经济性，鲁疃西路跨温榆河大桥应用了曲率半径为2.5米的摩擦摆支座进行隔震设计。

隔震技术的推广

隔震技术的使用，使得大地震发生时，既能保护建筑物结构，又能保护室内的设备物质安全。但是，隔震技术要推广，也需要具备各方面的条件。一是思想观念的转变，包括政府、设计人员、开发商和老百姓，倡导大家使用隔震技术。二是隔震设计标准要跟上。三是产品设计和生产要跟上。四是检验手段要跟上。只有这样，隔震技术才能大量推广使用。

隔震技术是一种相对成型的新技术。支持和推广新技术，是推动行业前进的动力，而且隔震技术可以从根本上加强结构的地震安全性。隔震建筑以其安全可靠受到人们的重视和关注，既可用工程实例带动地震科普知识的传播，也对建筑结构本身起到了很好的宣传作用。

总之，隔震技术的研发和应用大幅度提高了工程结构的抗震水平，节省了工程造价，社会效应和经济效益明显，为防震减灾工作提供了一条合理、有效、安全的新途径。