建筑隔震概述

文/石重贵 北京筑都方圆建筑设计有限公司 北京 100035

1、前言

我国是地震高发的国家。20世纪以来，平均三年发生两次7级以上地震[1]。地震灾害造成巨大经济破坏和人员财产损失。我国目前的抗震设防目标为“多遇地震不坏、设防地震可修、罕遇地震不倒”[2]。结合我国的国情，此设防抗震标准既能合理使用建设投资，又能达到抗震安全的要求。然而，这种通过建筑物本身结构构件强度和塑性变形能力来抵抗地震作用和吸收地震能量的传统“抗震”结构设计，虽然能在罕遇地震中不至于倒塌，但建筑物内部设备、设施已破坏严重，正常使用功能得不到保证。因此，对建筑内部设备、设施有更高保护要求的建筑，传统抗震设计方法有时难以满足要求。基于对建筑物抗震性能的更高要求，隔震结构体系逐渐发展起来。

2、隔震建筑技术原理

传统抗震建筑基础固结于地面。地震时，地震波通过地基基础传到建筑物。建筑物受地震作用产生震动，从而引起结构构件的破坏。如果在建筑与地基基础之间设置一个特殊的隔震层，阻隔地震波向上传递，就可以有效降低建筑的晃动。隔震建筑的技术出发点就源于此。结构隔震技术通过在建筑物上部结构与基础之间或者在上部结构与下部结构之间设置柔性隔震层，通过隔震层的变形和耗能，阻隔地震动输入给上部结构的能量，从而减少上部结构振动。

抗震建筑在地震时会出现晃动。传统抗震建筑依靠建筑物本身的结构构件的强度和塑性变形能力，抵抗地震作用和吸收地震能量。隔震建筑在地震时也会晃动，但由于隔震层的刚度较上部建筑的楼层刚度小的多，隔震建筑的变形就集中在了隔震层，地震输入的能量也集中在隔震层，上部结构的变形就非常小。

隔震技术主要策略立足一个“隔”，体现了“以柔克刚”的设计理念。采用隔震技术，上部结构的地震作用一般可减少40%～80%[3]。隔震层延长了结构的自振周期，同时隔震层中增加适当的阻尼使结构的加速度反应大大减弱。隔震层在地震作用下发生较大变形，阻隔地震能量向上部结构传递并耗散地震能量，使得上部结构的相对变形变得非常小，大大降低了上部结构所受的地震作用，提高建筑物可靠性和安全性。按照隔震措施设计的建筑物，上部结构构件和建筑内部设备、设施不会发生明显破坏或丧失正常使用功能，建筑物内部的人员也不会感受到强烈的摇晃。强震发生后，建筑物无须修理或仅需一般修理。

3、建筑隔震系统组成

隔震建筑与传统抗震建筑主要区别在于上部结构与下部结构之间增加了个隔震层。隔震层包括隔震支座、阻尼装置和隔震沟。隔震支座支撑上部建筑物重量，保证建筑振动时的水平变形，并具备振动后的复位能力。阻尼装置可以吸收地震能量，并在地震后帮助隔震支座恢复原先的位置。建筑物与周围要设置一定宽度的隔震沟，以允许建筑物振动时不与周围物体碰撞。

目前在隔震建筑中使用的隔震支座主要有：叠层橡胶隔震支座、摩擦摆隔震支座、滚动支座、碟形弹簧隔震支座、复合隔震支座。其中，叠层橡胶支座隔震系统是目前国际上隔震体统的主流。叠层橡胶隔震支座由薄层橡胶和夹层薄钢板（内部钢板）交互叠置而成。叠层橡胶支座受压时，橡胶会像外侧变形，由于受到薄钢板的约束，以及橡胶材料的非压缩性，橡胶层中心会形成三向受压状态，受压竖向变形量很小。叠层橡胶支座剪切变形时，钢板不会约束剪切变形，橡胶片可以发挥自身柔软的水平特性，从而通过自身较大的水平变形隔断地震作用。叠层橡胶隔震支座可以分为天然隔震橡胶支座（LNR）、铅芯隔震橡胶支座（LRB）、高阻尼隔震橡胶支座（HDR）三类。下图3-1为铅芯隔震橡胶支座示意图。

4、隔震建筑经济性

一个工程造价大体可以分为两部分，一是直接建设费用，二是使用期间维护费和各种损失失效费。

隔震建筑与非隔震建筑经济对比，在直接建设费用上可以分为减少部分和增加部分。减少部分主要是由于上部结构地震效应减少，结构构件截面和配筋都相应减少。而且设防烈度越高，直接建设费用减少的越多。增加部分主要是增加了隔震层，安装的隔震装置和阻尼器的费用，以及隔震层梁板柱需要加强而产生的费用。对减少部分和增加部分的直接费用的综合对比，对于高设防烈度的框架结构或者是框架剪力墙结构，采用隔震技术后，可降低直接费用约1%～5%[4]。

在地震造成的结构损失费用方面，由于隔震建筑上部变形较小，承重结构和非承重结构以及设备、设施等受到的损坏程度较小，地震损失和地震后的维修费用大大减少。在这方面，隔震后可减少损失的费用约为8%～35%[4]。因此，采用隔震技术大大降低了直接损失，并且也降低了因地震造成的建筑设备设施破坏，企业被迫停工而产生的间接损失。所以，从总的经济效益看，相对于传统抗震建筑，隔震建筑具有不可比拟的优势。