隔震技术的应用及其经济性分析

2023-01-30柯涛九江工业建筑设计院江西九江332000

中国房地产业 2022年34期

文／柯涛九江工业建筑设计院江西九江 332000

引言：

隔震技术是二十世纪七十年代早期出现的，它的主要作用是在结构的振动控制方面，它将隔震技术与传统的隔震技术相结合，使传统的防震方式发生了变化，从传统的“抗”向现在的“导”，其核心思想就是减震。经过多年的刻苦钻研和应用，隔震技术逐渐成熟，在当代建设中取得了明显的成效。目前，我国在隔震技术方面的研究已经取得了长足的进展，在国际上也处于领先地位，但在实际应用方面，还需要进一步提高。

1、隔震技术和减震结构的应用原理

1.1 隔震技术

隔震技术的应用，一般是在建筑物的基础和底部中安设隔震器和隔震层，利用隔震层降低地震向上传递的方式，减少了对高层建筑的能量传递，从而减少高层建筑的震害，从而实现对建筑物的抗震保护。

在我国现行的隔震技术中，它在现代建筑中得到了广泛的应用，它可以通过科学的隔震设计实现建筑物结构的隔震效果，将隔震技术用于建筑物的抗震性能，一般采用隔震技术，将建筑物的基础与上部结构分开，并采用隔离技术将震源从地基底部隔开，防止冲击波流向生层结构，从而有效延长结构的使用寿命，减少地震对建筑物的伤害。根据大量的实验研究，得出了隔震技术在建筑结构中的作用，即在地震作用下，高层建筑的结构发生了类似于刚体平动的变化，不会产生任何的地震放大效应，而且对建筑物的影响只有1/10，可以保证建筑物在地震作用下不会受到太大的破坏[1]。

1.2 减震结构

总体上，建筑物的运动特性与其自身振动周期、阻尼关系密切，其中自振周期与结构刚度关系较大。因此，减振机构的工作原理，主要是通过减震器和减震器之间的相互影响来实现。当阻尼在0.4～1.4 之间时，由于阻尼值越小，它的功率系数就越大，反之就越小。因此，当结构的固有频率接近于干扰频率时，可以采用增大阻尼的方法来减少结构的变形。当阻尼为1 时，对应的减振比从0.04上升到0.2，功率放大系数降低47%左右，当阻尼增大到0.3 时，功率放大系数减小74%。因此，通过前面的论述，不难发现，对减振机理进行合理的分析，对其进行理论研究和实践应用都是非常有意义的。

2、隔震技术的应用

到现在为止，全世界已有60 多个国家进行了隔震技术的研究，而且还在持续增长，其中应用隔震技术的建筑超过5000 座，其中大部分都是经过了多次地震的检验。美国洛杉矶和日本的阪神地震都能证明隔震房屋的抗震性能和优势，比如1994 年美国南加州的一场大地震，大部分没有使用隔震技术的房屋都会倒塌，造成严重的损坏，而南加州的医院则是使用了铅芯叠层橡胶隔震结构。通过实例，进一步强化了隔震技术在人们心中的重要性，同时也激励着许多地震工作者对隔震技术进行了深入的研究。

2.1 隔震设计的规范方法

在应用隔震技术时，应确保隔震设计的规范化，其主要内容是采用分段法进行隔震设计，合理地引入阻尼系数，也就是将不隔震结构的楼面剪力与隔震结构的层间剪力进行逐层比较，将最大比例设定为阻尼系数。同时，对于高层建筑，需要进行楼体倾覆力矩的比较，以求得二者的最大值。除此之外，为了有效地确保隔震设计的安全性，必须充分考虑计算精度，充分了解非隔震结构的抗震作用，采用“地震作用×减震系数”法，再按隔震支座的特性进行适当的放大，从而使隔震设计更加合理和安全。通过分析非隔震结构与隔震结构在地震作用下的受力情况，发现隔震结构在地震作用下的受力呈曲线形或倒三角形，而隔震结构受到的地震作用呈梯形或均匀分布，因而隔震结构的弯矩、剪应力都比非隔震结构小。在隔震设计时，采用分段计算法，可以合理、科学地运用已有的软件进行设计，从而更好地保证隔震设计的效果[2]。

2.2 隔震结构的应用范围及条件

隔震技术通常适用于多种形式、多种用途的建筑物，但与普通建筑物相比，在高烈度区的建筑物、硬场地上的建筑物、医院、学校、核电站等具有重要作用的建筑物，则应采用隔震技术。在美国、日本等国家的一些重要建筑中，也普遍使用隔震技术。1994 年的一次调查显示，美国的隔震结构在所有的隔震层中占据了55%的比例。隔震结构在我国的应用范围很广，主要应用于高烈度区的居民住宅和高层公共建筑。按建筑物的功能分类，采用隔震结构的建筑物见表1。

表1 适用隔震的建筑及原因

在建筑中应用隔震技术时，应满足什么要求？通常，不管结构是钢筋混凝土框架-剪力墙、钢框架、砌体等，均可采用隔震技术。但在抗震和消能方面，采用隔震技术的建筑可以增加抗震性能，延长其运行周期，并在一定程度上消耗了大量的地震能量，使其不能继续向上结构转移。所以，采用隔震技术的建筑应具备下列条件：结构不能太高，最好是多层楼，隔震技术可以让它的振动频率更高，隔震效果更好，安全性也更高；在地基和上层结构之间或在地下室的柱顶部设有隔震装置。同时，隔震结构的动态性能也比较清晰；在软弱地区不宜采用隔震技术，最好在坚硬的地基土壤中安装隔震设备，使地震力向上传递时，地面的振动不会发生长期的周期性变化，而且与常规结构相比，隔震结构的楼面加速度也会降低；为了使建筑物在地震作用下会有左右移动的空间距离，在使用隔震技术时，要考虑周围的建筑物与其至少有20cm 的间隙；除此之外，采用隔震技术的砖混结构，其高宽比应小于2.0，钢、钢筋砼结构的高宽比应在2.5 以下，以确保结构的安全性。

目前，世界各地已有不少采用这种超高、超高宽比、中间隔震结构的隔震结构。以日本名古屋为例，一幢七层的大厦，其结构为钢筋混凝土框架-剪力墙，并在第一、二层之间设置隔震层，隔震后的结构自振周期是2.2s，隔震层的位移是24.6 cm。1998 年，日本许多公司已兴建了许多高宽比为3～4 的高层建筑，并使用隔震技术。竹中公司是世界上最大的隔震结构，它有42 层，高138m，隔震系统使用了常规的橡胶隔震支座，铅阻尼器，粘滞阻尼器，软钢阻尼器。在国内，使用隔震设备的高层建筑中，地面17 楼使用的是常规的叠层橡胶垫板和铅芯板式橡胶垫板，其高宽比为3。与此同时，日本也在软基上建造了许多隔震结构，这说明隔震结构并不是不能用在软弱的基础上，隔震技术可以在一些脆弱的基础上起到很好的缓冲作用，从而保证人们的生命和财产的安全。但是，从总体上看，我们认为，隔震建筑应尽可能地满足上述条件，从而为以后的结构设计提供方便[3]。

2.3 隔震技术的实际应用

2.3.1 摩擦滑移隔震技术

摩擦滑动隔震技术在建筑物地基上的应用，主要是在建筑物地基上建造滑移层，再利用滑移层将建筑物与地基之间的滑动分离，从而产生滑移力。假如房屋结构受到小地震的影响，地基与上部结构之间的摩擦可以防止滑动的破坏；摩擦滑动隔震技术的核心是滑动装置，它由一个极限耗能部件和一个滑动部件构成，而常规的滑动部件则是在钢板的中部增加一个滑动表面。另外，也可以使用高强度的混凝土。在滑动机构中安装了一个限制耗能部件，它可以减少地震的能耗，通常使用 U 型钢板、扭转梁和变截面的杠杆。但由于摩擦滑动隔震技术在实际使用中会引起上部结构的某些频率响应，所以摩擦滑动隔震技术的隔震效果比夹层橡胶隔震技术要差一些。此外，没有向心复位机构的滑动系统不能实现自动复位，使用起来也不方便。

2.3.2 橡胶隔震支座技术

橡胶隔震支架是由薄板与橡胶复合而成，厚度仅为数毫米。在横向上，叠层橡胶支承的变形比较大，另外，在垂直方向上也有很大的承载力，等同于同时具备球和弹簧两种作用。橡胶隔震器的结构见图1。

图1 叠层橡胶支座内部结构

叠层橡胶支座具有较低的横向刚度和较高的纵向承载能力，是一种很好的隔震构件。这是因为，在支架的两端，有两块比较厚的隔板，可以安装螺钉孔，用内六角螺栓将密封板和连接板连接在一起，然后将钢板和连接板连接在一起，用内置支架上的螺钉孔将零件和连接板连接在一起。另外，将铅芯添加到橡胶隔震支座中，可增加橡胶支座的减震性能，增加其自振周期，最大程度地吸收地震能量，仅对上部结构造成较小的变形，从而对内部构件起到保护作用。

夹层橡胶隔震技术是我国广泛使用的一种新型隔震技术，经过多年的实践和研究，我们对其具体应用有了一定的了解，其应用特征如下：

（1）采用双层橡胶支座隔震技术，可显示出较强的垂直承载力，并可用作建筑物的支撑垫，从而进一步增强建筑物的安全性能。目前，我国住宅建筑中使用的夹层橡胶隔震技术，其承载能力一般在6.0 以上，而且每一种夹层衬垫都可以承受数千吨的荷载，最大承载力可以超过万t；

（2）采用双层橡胶支承隔震技术，其隔震性能良好，隔震效果显著。由于其刚性、阻尼特性比较稳定，因此其理论分析与工程实践结果相近，而且可以根据设计计算对地震反应进行精确的控制。目前，我国住宅工程中使用的夹层橡胶支承隔震技术，其抗震性能达到过去地震响应的1/12，安全性能非常好；

（3）采用夹层橡胶支承隔震技术，使其具有较好的弹性复位能力，能有效抵抗多种地震灾害，并能在地震后迅速恢复，具有重复使用的作用；

（4）采用中间橡胶支承隔震装置，其结构简单，便于装置的安装。该技术主要包括阻尼器、弹性回复力、横向滑移等,在实际安装过程中,向厂家购买了相应的夹层橡胶垫片,即可快速安装,不需要进行安装,也无须进行安装后的调试工作,在实际地震中真的可以起到非常好的功效；

（5）夹层橡胶支承隔震系统具有耐用性强、耐腐蚀、耐高温、耐高温、化学性能稳定、最长可达70 年以上，和其他技术相比，是目前最理想的隔震技术。

3、隔震支座隔震结构的经济性分析

隔震结构的成本与区域设防烈度、结构类型、结构高度等因素有关。一般情况下，7℃及以下的区域使用隔震技术，会使成本稍微提高，并大致保持不变，但会使建筑物更安全；在7 度以上的地段应用隔震技术，不仅可以大大改善结构的安全性，而且可以大幅度地减少工程成本。从长远的观点来看，也就是在将来发生更大的地震时，传统的地震灾害所带来的经济损失既有直接的经济损失，也有间接的经济损失。而采用隔震技术的房屋，可以从根本上减少直接经济损失和间接经济损失。

3.1 隔震结构与传统结构的费用比较

与常规地震构造相比，隔震结构的直接施工成本计算方法主要有：增加的部分和减少的部分。

从增加的部分来说，隔震结构的隔震层比较复杂，需要专业人士进行设计，因此需要考虑到隔震层的设计成本。由于隔震结构对地基的要求比较高，所以有可能会增大地基的土方，并增加隔震层的底板和上托梁。除此之外，隔震层的变形能力很大，必须采取特殊的措施来处理通过隔震层的管道和线路。根据国内外的经验，采用隔震技术的房屋在25m 以下的建筑中，与常规的地震相比，其成本可提高约4%至5%；25m 至30m 以下的房屋，其隔震技术和防震技术的成本差异不大；30m 或更高的建筑成本将减少0%至5%。在我国，采用隔震技术建设的房屋在历次地震中都发挥了相当大的作用，使人民的生命和财产得到了最大程度的保障，为国家的经济和社会发展做出了巨大的贡献。通过大量的研究和分析，发现隔震结构的成本通常可以减少1～4 个百分点[4]。

从减少的部分来讲，在采用隔震技术后，由于上层结构吸收的能量很多，所以可以适当减少上部结构的体积，从而减少材料和重量，从而减少地基的截面尺寸，从而减少地基的成本。隔震层的作用是防止地震能量向上传递，使部分锚杆的连接变得简单，并能减少结构的控制要求。但隔震层的设计要引起足够的重视，因为隔震层是整个隔震体系的核心，其性能的优劣直接影响着隔震的质量。在这种情况下，高层建筑的安全问题已经成为了设计者关注的焦点。在高烈度区，如果采用隔震支座，则可以使结构的梁、柱、板等主要承载构件的截面尺寸变得更小，钢筋的使用量也会有所减少，结构的布局也会变得更灵活，高烈度区的房屋，在允许的限度之内，尽可能地降低地震设防烈度，因为隔震结构的隔震效果好，所以在目前的土地使用非常有限的条件下，可以适当的提高楼层的数目。通过以往的经验，在使用隔震技术后，该结构的成本相对于常规的抗震建筑降低约10%-20%。

3.2 结构减少损失的费用比较

隔震结构的层间位移较低，而在隔震层之上则是接近平动，基本上处于一个弹性阶段。结构在地震中的破坏主要有：由于各个楼层的加速度而导致的破坏；其次，层与层之间的相对位移造成的损失，由于层间的过度位移会导致结构发生大的变形，导致结构的主体和关键部件的损坏，所以要尽量减小层之间的相对位移。

采用常规的抗震结构，很难减少这种损失，提高结构的刚度，可以减少相对位移，但同时也会增大建筑的楼面加速度，影响结构的安全性；同时，由于结构的刚度减少，楼面加速度下降，但层间的相对位移也会增加，这对结构的稳定不利，必须寻求一种两全其美的方法，而使用隔震技术的建筑，不仅可以减少楼层之间的相对位移，还可以减少楼层的加速度，同时还可以有效的弥补结构的不足，同时还可以方便维修，大大减少了维修成本。

采用铅芯式叠层橡胶隔震支座，其优点是：减小了上部结构及基础断面尺寸，减小了钢筋用量，降低了地基处理面积，简化了非结构构件的联锚，降低了造价，降低了材料成本，而且易于震后进行维修，经济效益和社会效益都很好。在发生地震时，可以起到保护人民生命和财产安全、吸收地震能、降低不必要的损失等作用。因而，隔震技术在当今的建筑结构中得到了广泛的应用，尤其是在地震频发的国家。为了更好地为社会服务，我们需要进一步地开展隔震技术的研究。