隔震减震控制技术在建筑结构设计中的应用

许婷婷

广州华发实业发展有限公司，广东 广州 510600

1 建筑结构隔震减震控制技术的发展及基本原理

1.1 隔震减震技术的发展

我国的建筑结构抗震设防准则中要求，当发生小型地震时不会对建筑结构造成影响，当发生中等规模地震时还能够进行修缮，当发生强烈地震能够保障建筑不会出现倒塌，以此保障人民生命安全。结合传统的抗震设计来看，是通过提高结构的强度来实现的，但具体存在以下两个问题：其一，在高烈度区，构件尺寸较大，对空间和建筑的功能造成影响；其二，利用结构构件的延性和能力抵御地震能量，虽然避免了建筑的倒塌，但损害较为严重，如果修复则需要大量的经济支撑。在这样的背景下，隔震减震技术被逐渐重视起来，其核心思想在于对结构性能的改变。

隔震控制技术的核心在于化解地震能量，类似于“太极推手”。其最早起源于20世纪中，通过沙砾层实现滑移隔震，在此之后，各国均开展了对隔震控制技术的相关研究，并取得了大量的成果。20世纪70年代，新西兰学者提出了铅芯叠层橡胶支座，极大地推动了隔震控制技术的发展。我国最初应用隔震控制技术是1993年建造的安阳市粮油综合楼。到20世纪末，我国开展的主要研究集中在橡胶支座隔震结构等方面，并逐步形成了较为完善、系统的成套技术，为后续科研工作的开展打下了坚实的基础。减震控制技术的核心在于对地震能的消耗，使之降低到建筑能够接受的范围之内。我国的减震控制技术最早出现在20世纪80年代，并在20世纪末得到了飞速发展。2001年我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中对消能减震技术等相关内容进行了明确的规定，2013年我国制定了《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013），自此，我国的减震技术已经取得了广泛的应用，发挥了至关重要的价值。

1.2 隔震减震技术的基本原理

随着城市化进程的不断推进，建筑行业的发展速度越来越快，人们对建筑结构的安全性和稳定性也提出了更高的要求，在这种形势之下，传统的抗震设计已经不能满足人们的需求。随着抗震技术的研究不断深入，以隔震减震为中心的控制技术发展起来，目前已经在建筑结构设计中发挥出了至关重要的作用。隔震减震控制技术就是在建筑结构内设置隔震支座、阻尼器或子结构，当发生地震灾害时，装置能够阻碍地震能向结构的传递，通过阻隔的效果降低对建筑结构带来的影响，从而减轻地震灾害对结构造成的损害。

2 建筑结构设计中隔震技术的应用

2.1 地基采用特殊材料

在对建筑地基进行隔震设计时，关键是要将隔震层变成一个柔性的底层，当出现地震时，隔震层能够削弱地震波、降低地震能，避免对建筑结构造成损害。传统的地基抗震技术主要采用铺设黏土、沙砾等材料，通过这些材料来实现隔震的目的，但结合实际情况来看，其隔震的效果相对较差。随着相关领域对建筑地基隔震技术的研究不断深入，很多新材料不断投入使用，目前隔震效果比较好的材料为沥青，将其作为地基隔震层的填充材料，能够更好地提高地基的隔震性能。

2.2 基础设立隔震设施

通过在建筑物基础以及上部建筑之间设立隔震设施，能够在一定能程度上阻碍地震产生的能量，减少对建筑结构的影响，起到隔震的效果。根据相关研究数据，该隔震方式能够阻碍约80%的地震能量。但是该方式增加了建筑的自振周期，因此不能应用于高层建筑。目前该隔震方式的主要装置为橡胶垫，如图1所示。橡胶垫隔震装置主要由橡胶和钢板组成，橡胶以钢板作为支座，提高了橡胶体的竖向高度，不仅能够承受较高的荷载，还能够起到隔震的效果。目前橡胶隔震技术已经比较完善，其优势在于阻尼比大、隔震效果好，另外还具有弹性复位功能，可靠性比较高。但由于橡胶长时间使用会出现老化现象，使得隔震性能受到一定程度的影响，这也是今后的重点研究内容。

图1 橡胶垫隔震装置

2.3 层间隔震措施

层间隔震技术就是指在建筑结构的层间处设立隔震装置，当发生地震灾害时，隔震装置能够吸收地震能量，降低地震对建筑结构造成的影响，从而实现隔震效果。层间隔震与基础隔震相比，虽然设立隔震的装置基本一致，但层间隔震的减震效果却相对较低，约为13%。目前层间隔震技术大多应在对旧建筑结构的改造工作中，优势在于操作较为简单。

2.4 结构悬挂隔震

结构悬挂隔震指将建筑结构利用锁链悬吊起来，当地震灾害发生时，只有极少数的地震能够传递到悬挂结构中，以此保障建筑结构不会受到地震灾害的损害。目前结构悬挂隔震被大量的应用在钢结构中，一般情况下，钢结构分为两个组成部分，即主框架结构和子框架结构。运用悬挂隔震技术后，将子框架用锁链悬挂在主框架结构上，在发生地震时，主框架结构受到地震波的影响不断晃动，而子框架结构几乎不会受到影响，地震能被有效地削减，以此保障整体结构的稳定性。

3 建筑结构设计中减震技术的应用

减震是指在建筑结构的剪力墙、连接缝等位置安设装置，用以吸收、消耗地震能量，避免地震能量对建筑结构造成损害，目前常见的减震技术主要为耗能减震和吸震减震。

3.1 耗能减震技术

在传统的抗震体系中，承重构件就是减震耗能构件，在发生地震灾害之后，这些构件受到了一定的损坏而且很难对其进行修复。减震技术则恰恰相反，设置专门的耗能减震装置，在破坏装置的过程中实现了对地震能量的消耗，从而保障了建筑结构整体的稳定性。另外，受损的装置更换较为方便，极大程度上提升了建筑的抗震性能。目前常见的耗能减震装置分为以下几种。

（1）减震阻尼器。该装置通过增加结构阻尼来消耗地震能量，以此避免建筑结构的振动。从装置机理的角度来看，具体可以分为两种类型：第一种为速度相关型阻尼器，变形速度与阻尼力成正比；第二种为位移相关型阻尼器，位移大小关系到消耗地震能量的能力。

（2）屈曲约束支撑。普通支撑受压会出现屈曲现象，当发生地震时滞回性能较差。屈曲约束支撑包括外套筒和硬质填充材料，能够很好地约束芯材受压屈曲，极大地提升了结构的抗震性。

（3）防屈曲钢板剪力墙。该装置是一种新型产品，其核心为耗能钢板，无论在小震还是大震中均能发挥出很好的作用。当发生小型地震时，该装置处于弹性状态；当发生强烈地震时，装置处于屈服阶段耗能，体现了良好的减震作用。

3.2 吸震减震技术

通过在原结构上设置子结构，当地震发生时对地震的能量进行重新分配，通过转移振动来减小对建筑结构的影响，这就是吸震减震技术。目前该技术的主要装置分为以下两种：第一，调频液体阻尼器。该装置主要依靠水箱中的液体实现减震目的，当发生地震灾害时，调频液体阻尼器水箱中的液体受到地震能的影响出现晃动并形成侧动力，从而实现减震的作用。第二，调谐质量阻尼器。该装置主要由弹簧、可调整质量块、黏滞阻尼器等构成，首先调整装置的自振频率，使其与结构的振动频率保持一致，当出现地震灾害时，地震能会集中在调谐质量阻尼器上，从而降低结构振动。例如，台北101大楼所采用的就是这种减震技术。

4 结束语

随着建筑行业的发展速度越来越快，人们对建筑结构的安全性提出了更高的要求，积极应用隔震减震控制技术具有重要的意义。当前我国在隔震减震技术方面已经开展了大量的研究与应用，针对不同的建筑结构研发了多种不同的隔震减震技术，极大地提升了建筑结构的稳定性。但与此同时，隔震减震控制技术的不足也不可忽视，如应用规范不健全、推广困难等，针对这些问题，还需相关部门做好引导工作，进一步优化现有技术，使其向着规范化的方向发展。