建筑结构设计隔震减震技术探讨

徐 凯（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

抗震设计是建筑结构设计的一项重要内容，是从结构的整体特点出发，在刚度、强度、延度、轴压比等方面加强结构的专项设计，以满足地震作用下的建筑结构安全性与经济性要求。《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2016）中明确指出：抗震设防烈度为6 度及以上地区的建筑必须进行抗震设计，最大程度上减轻地震带来的破坏，避免人员伤亡，降低经济损失[1]。近年来，随着经济社会稳健发展，我国建筑行业发展迅猛，工业厂房、高层住宅、商业综合体等项目数量增多。现有文献报道中，多集中在现场施工管理上，关于抗震设计的研究较少。鉴于此，以下结合实践探讨了隔震减震技术在建筑结构设计中的应用，以供参考。

1 建筑抵抗地震的主要方法

依据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）[2]，根据建筑物的重要性、震中及震后破坏程度、经济损失情况，将建筑分为甲、乙、丙、丁4 个抗震设防类别。目前，建筑抵抗地震主要有三种方法，分别是抗震、减震和隔震。

1.1 抗震

抗震是让建筑物能承受地震产生的能量，为了满足抗震要求，主要采取以下技术措施：一是提高承重构件的强度，包括梁、柱、墙等，达到本地区抗震设防烈度；二是提高构件的韧性，即使变形也不会马上破坏；三是增强建筑主体结构的稳定性，在地震作用下不会散架。

1.2 减震

减震是在建筑物内部设置可以吸收地震能量的装置，一般称之为阻尼器，地震发生时能吸收、耗散部分摇晃能量，显著减小变形和破坏。相比之下，抗震是依靠建筑自身构件的变形和损伤来吸收地震能量，减震则是依靠阻尼器。在实际应用中，阻尼器对地震力产生阻尼，建筑物上部结构的变形减小，从而保护结构安全稳定。

1.3 隔震

隔震是隔离地震产生的冲击力，阻止地震力从大地传递到建筑物。一般情况下，是在地基与建筑物之间设置柔软的隔离层，地震发生时隔离层会出现较大变形，阻止高频地震波向上传递。如此一来，建筑上部结构的摇晃周期延长，只会发生缓慢的平动，从而保护主体构件、装修和内部设施。

2 隔震技术在建筑结构设计中的应用

2.1 悬挂隔震

顾名思义，悬挂隔震是将建筑结构的全部或大部分悬挂起来，地震发生时主体结构可随着地壳运动而晃动，显著减小地震对建筑结构造成的冲击，从而达到隔震效果。悬挂结构在桥梁、工业设备架体中的应用普遍，由于悬杆受力较大，需要使用高强钢。但是，高强钢的韧性差，受到竖向地震作用可能断裂，为此可在吊点设置减震弹簧，配合使用阻尼器。香港汇丰银行大楼就采用悬挂隔震措施，钢柱由桁架连接在建筑上，楼层悬挂在桁架上，其中底部悬挂8层，顶部悬挂4层，被称为“震不倒的建筑”。

2.2 层间隔震

层间隔震是在基础隔震上发展而来，将隔震层设置在建筑的主体与楼板之间，对结构的地震反应进行控制[3]。根据隔震层的位置不同，主要分为三种类型：一是在建筑结构的一层设置隔震层，减震机理与基础隔震类似，但要根据外界条件确定是否设置隔震缝；二是在中间层设置隔震层；三是类似于TMD减隔震系统，不同之处是使用橡胶隔振垫代替阻尼器。以北京通惠家园住宅项目为例，2层平台长1300m、宽250m，平台上建设17栋住宅楼，难以采用基础隔震，遂采用层间隔震措施，在2 层平台上设置隔震层，结果显示水平地震作用降低至23%，房屋建筑的安全性提高4倍。

2.3 基础隔震

基础隔震是在建筑基础与上部结构之间，设置高度较小、可靠性强的隔震层，地震时控制地面运动向上部结构传递，地震产生的能量由隔震层吸收或反馈到地面，以减小上部结构的地震反应，避免内部设施发生破坏。如图1 所示，隔振器和阻尼器的使用，增加了建筑结构的阻尼，在地震作用下产生加速度的反应时间缩短；而且结构位移多集中在隔震层，上部结构产生的位移量减小，增加了建筑结构整体的弹性。

图1 基础隔震技术的应用原理图

以叠层橡胶隔震支座为例，由多层橡胶、多层钢板相互交错叠加而成，其中第一形状系数、竖向刚度、竖向极限压应力、竖向极限拉应力反映出支座的竖向隔震性能，第二形状系数、水平变形、水平刚度、屈服后刚度、等效阻尼比等反映出支座的水平隔震性能。

具体看第一形状系数S1，用于控制每层橡胶的厚度，圆形截面的计算方法见式（1），矩形截面的计算方法见式（2）：

式中d-橡胶层有效承压面的直径，mm；d0-橡胶层中心开孔的直径，mm；tr1-钢板间橡胶层的厚度，mm；a-矩形截面的长边尺寸，mm；b-矩形截面的短边尺寸，mm。

每一层橡胶层厚度越小，支座竖向刚度越大，规范要求S1≥15。

3 减震技术在建筑结构设计中的应用

3.1 合理选择建筑场地

建筑设计中要合理选择建筑场地，尽量避开软土地基，远离地震断裂带。为此，必须落实地质勘查工作，对建筑周边的地质、水文等条件进行考察，计算物理力学参数，以提高基础地质的强度和承载力。

3.2 优化设计建筑结构

通过建筑结构的优化设计实现减震效果，主要是对结构的平面、竖向进行合理布置。一是遵循平面简单化、规则化的原则，在建筑结构的两个方向上对称设计抗侧力构件，保证质心、刚心相重合；二是竖向构件沿着高度均匀性、连续性改变，防止侧向刚性、承载力突变引起的变形；三是设计中不能采用头重脚轻的形状，防止应力集中产生扭曲，会降低建筑结构的刚度。

3.3 结构耗能减震技术

结构耗能减震技术，是在建筑结构的关键部位如剪力墙、连接缝、支撑位置、主附构件交界处等设置耗能装置，从而减小地震能量对建筑结构造成的破坏。按照不同作用机制，耗能减震装置分为两大类：一类是速度相关性耗能装置，典型代表是粘弹性阻尼器；另一类是受力相关性耗能装置，典型代表有钢弹塑型、铅挤压型、摩擦型等。设置结构耗能减震装置时，需要满足以下两个条件：第一，根据罕遇地震作用下的结构预期位移量，对耗能装置的参数进行计算分析；第二，耗能装置一般设置在结构的两个主轴方向上，位于层间变形较大处，具体数量根据实际情况确定[4]。

以无粘结钢支撑体系为例，是一种灵活的减震支撑体系，作用在钢支架与外包裹的钢管空隙处，或在钢支架与钢筋混凝土的缝隙中灌入无粘结材料形成滑移界面，并用高强度螺栓加固框架结构。另外，屈曲约束钢支撑体系的应用也比较广泛，如图2所示。相比于普通钢支撑，该体系不仅能为建筑结构提供刚度，还可提供等效附加阻尼，具有支撑和阻尼双重功效，强震发生时能提高建筑结构的强度和延性储备，减小地震作用带来的破坏。

图2 屈曲约束钢支撑体系构造图

4 隔震支座的实践应用分析

4.1 工程概况

某新建小学项目，由两栋教学楼、值班室、门棚、主席台等建筑组成。其中，1#教学楼包括地上4 层，长45.3m，宽11.2m，总高度18.5m，建筑面积约2050m2；2#教学楼包括地上5 层、地下1 层，长45.3m，宽18.6m，总高度22.4m，建筑面积约5060m2。抗震设计时，教学楼的抗震类别为乙类，重点设防；其他附属结构的抗震类别为丙类，标准设防。

4.2 隔震支座的参数

结合本工程实际情况，采用基础隔震技术，选用合适的隔震支座。水平方向上减震系数为0.39，抗震构造设计可比规范低1度进行设计，水平地震影响系数按照0.08计算。规范要求，隔震橡胶支座的第一、第二形状系数分别≥15、≥5，橡胶的硬度≥40，12MPa 下的位移量≤20.3cm（罕遇地震下的最大位移量）。在耐久性试验中，隔震支座的刚度、阻尼变化量应≤基准值的20%，徐变量≤支座内部橡胶总厚度的5%[5]。最终，本工程选用的橡胶隔震支座包括LRB500、LNR600、LRB600、LRB700、LNR700五种规格，其力学性能参数见表1。

表1 隔震支座的主要力学性能参数

4.3 隔震支座的安装

（1）根据设计方案和规范要求，在隔震支座下部的框架柱上绑扎钢筋，在建筑结构上预埋螺栓，检查定位模板的水平度，对隔震支座进行调整，偏差满足表2 的要求。检验合格后，使用细石混凝土浇筑，注意保护螺栓套筒防止发生位移。

表2 隔震支座的安装精度控制要求

（2）浇筑后的混凝土强度达到设计值的85%，才能安装隔震支座，紧固连接螺栓进行固定。若绑扎钢筋与预埋螺栓的位置重合，应及时报告给相关部门协商处理。

（3）位于隔震层上方的框架柱和梁体，在浇筑混凝土时要在隔震支座周围设置临时性的横向支撑，对隔震支座起到约束作用，防止水平位移。

（4）隔震支座安装完成，对预埋件的外露部分进行防腐处理，涂刷富锌底漆+环氧云铁中间漆+聚乙烯面漆，漆膜的总厚度≥0.15mm。

（5）隔震层上部结构与水平方向固定物之间的防震缝，其宽度应≥1.2mm；罕遇地震作用下支座的最大位移，与竖直方向固定物的隔离宽度应≥20mm[6]。

（6）施工过程中，对隔震支座的位移量进行观测，使用薄膜覆盖保护支座，检查上部结构与周围固定物的脱开距离，避免影响隔震效果。

4.4 隔震支座的维护

（1）隔震支座在使用过程中，制定完善的检查维护计划，定期观察隔震支座的外观及变形情况。若存在障碍物影响上部结构位移，应及时将其清除。

（2）看预埋件、螺栓是否连接紧固，看防腐层有无破坏，复测梁、柱的中心轴线，将偏差控制在允许范围内。

（3）遭受地震作用后，对隔震装置进行全面检查，看有无发生结构损坏或性能损害。需对隔震层进行改装或加固时，要开展专项设计、编制施工方案。

5 结语

综上所述，随着建筑工程技术的不断发展，人们对于建筑的抗震性能提出更高要求，隔震技术和减震技术得到广泛应用，其中隔震支座就是一种有效方案。在未来，相关企业应该继续研发新型的隔震减震技术，对现有技术方法进行优化，在保证抗震性能的基础上，达到降本增效的目标。