建筑结构设计中的隔震减震措施探讨

葛少平

（南京金宸建筑设计有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

我国地震灾害比较频繁，据相关调查统计，很多地震都会造成经济损失和人员伤亡，在这些损失中，绝大多数又是由于建筑物本身的坍塌或破坏引起。因此，减少建筑物受到地震的影响是当前降低地震所造成经济损失最直观的手段。经过唐山、汶川、玉树等地震后，我国人民对抗震的意识愈发强烈，而我国建筑人员也要牢牢发挥建筑抗震减震价值，为我国经济发展做贡献。

1 地震对建筑影响

我们习惯将地震波以体波和面波进行划分，体波又细致划分为纵波与横波，面波分为瑞雷波和诺夫波，在以上四种波形中，面波能够在地表传播且传播距离较远的，横波只能在固体之间进行传播，纵波则能够在固体和液体之间传播。体波的传递效果正如其名，纵波传递至建筑物时，使建筑物出现上下颠簸，而横波则是使建筑在水平方向上产生些许位移。由于面波的能量远远大于横波，其所产生的地震影响能够使建筑物出现水平和垂直两个方向的位移。由此可见，面波是造成建筑物倒塌、损坏的主要地震波。

2 建筑结构主要隔震措施

隔震措施主要分为地基隔震、基础隔震、层间隔震、悬挂隔震等方式，其实际应用需要根据各个建筑身处环境和结构选择合适的隔震措施。

2.1 地基隔震

地基位于建筑物与地震之间，与地面直接接触，从而也意味着其将直接承受地震波带来的能量冲击。而恰恰是这一特性使地基能够很好承担其缓冲地震与建筑之间的重任，于是，人们开始探索地基材料的隔震能力，如橡胶支垫、磁悬浮、滚动钢球等。最常见的方式是利用铺设的垫层来削弱地震波强度，传统垫层所采取的材料为黏土沙子，或者在二者之间添加土工布。该方法造价较低，地震发生时能够有效增大建筑物与地基的滑移效果，从而达到减震效果。但通过长时间的观察研究，我们发现，频繁的振动会对垫层结构材料造成磨损，使其中的砂层逐渐流失，随即增大摩擦力，长久以往，接触面积必然将不在承担起地震减震功能，其接触面都会出现裂缝。如今，大多数建筑所采用的隔震垫材料为叠层橡胶，其减震效果能够远远优于传统黏土砂子，常见的叠层橡胶并非全由橡胶垫组成，在橡胶垫中，还会增加部分夹层薄钢板，钢板与橡胶交错叠放，经过良好的粘合，形成极其出色的减震装置。钢板能够约束相邻的橡胶垫，而橡胶垫天然的弹性能够使其在大幅度内侧方向形变的同时仍保持良好的稳定性，是当前地基隔震材料中十分优质的首选材料。但苦于其材料价格昂贵，施工技术也存有许多难点，并不适应位于地震多发带的农村地区。因此，而随着现代科研力量崛起，研发人员经过多次探究不同材料的隔震性后，提出新的垫层材料，即改性阻尼沥青。改性阻尼沥青良好的柔性使其具备吸收大部分地震波向上输出能量的功能，从而很大程度阻碍地震向建筑物方向传播，同样，在使用改性阻尼沥青材料后，隔震垫的周期明显增加，大大减少了加速度，使其位移增大。另外，沥青材料十分低廉，施工工艺简单，便于在农村地区广泛使用。

2.2 基础隔震

基础隔震安装位置大多数位于建筑基础与上层结构中，通过柔性连接，形成足够的隔震系统，该系统能够有效减少地震波对上层建筑的影响，从而达到整体的减震作用。整个基础隔震结构体系包括上层结构、隔震装置、下层结构。隔震原理为利用结构的长周期性，通过在底层集中位移，实现上层结构位移减少，并将所承受的地震能量传递至地面或被吸收，从而确保建筑中上层结构稳固性。其技术研发源于早年的东京帝国饭店的软泥层地基，而并不是所有的软泥层都能起到同样的作用，因此，人们为了寻找类似于软泥层的替代品，从而逐渐形成今天的基础隔震。基础隔震经济性不高，国内只在地震多发地带和重要公共建筑中使用，例如桥梁、核设施等。但其发展前景十分光明，该技术的发展方向已经逐渐被越来越多的专业工程学者所看好。当前我国的橡胶钢板叠层体系能够拥有较好的减震效果，其经济性也在逐渐趋于可以接受的水平，唯一不足的是，该减震技术并不能做到竖向减震，而基础隔震可以在竖向减震基础上有所改善。我国已有数百万平方米的房屋建筑应用基础隔震，科研人员和学者也纷纷加强对基础隔震体系的研究，力图在其可靠性基础上提升经济性，为我国经济社会提供更大的间接利益。

2.3 层间隔震

层间隔震在建筑结构的夹层与原结构之间原有隔热层的基础上放置耗能减震装置，从而降低吸收地震波。层间隔震是对基础隔震的加强和补充，是建筑隔震措施中重要的环节，与基础隔震相比，层间隔震的结构位置稍微偏上，位置的改变并不阻碍其隔震作用，上部结构可以与减震装置一起形成对下部结构往上所传达的地震波吸收、消除。这一技术在日本被广泛使用，它不仅可用于新房的减震，还能用于旧房的加固，由此可见其出色的经济效益。在我国，层间隔震的概念也不再局限于屋顶等隔震，而是在更多的工程建设项目中找到了其价值，当前，国内利用层间隔震的设计建筑越来越多，主要用于中高层、大空间的建筑中，例如汕头博物馆的层间隔震被用在二层顶柱和三层楼板之间。随着我国学者对层间隔震工作机理和地震反馈研究的深入，层间隔震技术必将越来越成熟，当前所提出的评判层间隔震的指标必将在未来有所建树。

2.4 悬挂隔震

悬挂隔震是将建筑结构全部悬吊起来，阻碍其与地面接触，导致地面波很难传达建筑结构中。其最有代表的隔震装置为巨型钢架框悬挂体系，该体系由主框架和子结构组成，二者各自独立，起到隔离彼此力学作用。主框架同常见的框架结构一样，而子结构大多采取索、吊等悬挂方式，承担着建筑结构的大部分质量。悬挂隔震主要用于我国桥梁建筑、火电厂锅炉架等。随着生活水平的提高，人们开始重视建筑外形的美观，建筑的功能趋于多样化。悬挂式隔震能够很好契合这一生活发展形势，减少与地面接触的建筑是如今较为新颖、十分具有特色的建筑理念，上悬挂下隔震的结构也会在未来多样化的功能建筑中发挥意想不到的作用。悬挂隔震中的阻尼装置也成为时下学者研究的热门，各种材料的阻尼器问世过程正是悬挂隔震技术逐渐兴起的最好证明。

3 建筑中常用减震措施

3.1 无粘结钢结构体系

无粘结钢结构是一种十分机敏的减震支撑结构，其主要用于建筑中核钢支撑与混凝土之间，构成一个滑动位移面。钢结构在高层建筑中应用广泛，而纯钢结构材质的抗侧刚度并不能达到建筑抗震要求，而钢框架支撑结构能够解决传统钢结构遇到强风或地震时产生过大位移的问题，但其支撑作用不大，极容易在强震中发生变形、扭曲，导致建筑中钢结构支撑体系所承担的力学结构失效。因此，鉴于前几种钢结构，近年来有学者提出一种新的避免屈曲的支撑结构，通过对支撑杆件进行改造，从而得到无粘结的支撑体系。这种支撑体系能够在内核设计钢支撑和外包构件间添加了新型滑移层，这样即便在外力地震水平作用下，滑移层也能有效减少地震波对钢结构的作用，从而达到良好的抗震能力。

3.2 加固减震

以往的建筑工程中对抗震环节有所疏忽，因此，现代建筑有必要对部分建筑工程进行加固减震处理。其中，最常见的加固环节是通过在建筑结构中增加阻尼，在建构连接处、钢结构、隔震夹层中增加消震装置，从而提升整个建筑的抗震能力。以植筋技术为例，该技术利用混凝土包裹钢筋，使混凝土钢筋表面融为一体，从而达到更好的承载力。植筋技术方式多样，并不拘束于一种植筋类型，而根据建筑需要选择，如可以在普通钢筋加固过程中增加锚筋，促使钢筋整体达到防震减震的作用，也可以在加固中根据需求选择植筋胶。对比传统加固方式，植筋加固优势突出，在灾区应用广泛。这种加固方式如今在各大高层建筑、钢结构房屋、工业厂房应用较多，该方式既不会影响原有建筑结构，也不会使建筑布局发生改变，具有十分广阔的发展前景。

3.3 结构布置

除了以上建筑的减震措施外，根据地震根源来选择建筑场地和建筑结构也不失为行之有效的减震措施。地壳之间的运动引发碰撞导致了地震，建筑选址前，应考量当地地质结构和所处地壳位置，推测当地震发生时可能对建筑产生的影响。通过分析可以得出建筑所受地震影响最小的建设方式。例如，建筑的长边应尽可能与地质断裂带保持平行，当地震走向与建筑物走向保持一致时，建筑物发生倒塌概率便会大大降低。

4 结束语

综上所述，建筑物的隔震减震对我国现代经济社会发展而言十分重要。不仅仅是地震多发地区的建筑，国内其他地区的建筑同样也要关注建筑的隔震减震技术。现代建筑的发展不仅要重视住户的舒适环境和生态环境，提升建筑的宜居程度，还要将重心放在建筑的隔震减震功能上，提升房屋住宅等建筑的安全性和可靠性，真正做到以人为本，营造出经济性强，能够保护住户生命及财产安全的建筑物。