浅谈建筑隔震设计流程及要点

浅谈建筑隔震设计流程及要点

陆亮

1同济大学结构工程与防灾研究所，上海2000922江苏正宏城建设计研究院有限公司，江苏宿迁223800

摘要：建筑隔震设计是个系统的全面的工作，需要扎实的理论知识、灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。作为设计人员，不仅要掌握隔震设计的流程及要点，保证结构设计的安全，还要善于总结工作中的经验。本文根据笔者工作经验，对建筑隔震设计的流程以及注意要点进行阐述。

关键词：隔震设计；流程；要点

一、建筑隔震设计流程

隔震技术已经系统化、实用化，包括摩擦滑移系统、叠层橡胶支座系统和摩擦摆系统，其中工程界最常用的是叠层橡胶支座隔震系统。目前常用的橡胶隔震支座主要有：普通叠层橡胶隔震支座、铅芯叠层橡胶隔震支座和高阻尼橡胶隔震支座。

隔震结构建筑的减震原理隔震，即隔离地震。隔震结构是指在建筑物上部结构与基础之间设置隔震层以隔离地震能量结构。在房屋底部设置由隔震支座和阻尼器等部件组成高度很低的柔性底层，称为隔震层，使基础和上部结构断开，以延长整个体系的自振周期、增大阻尼，减少输入上部结构的地震能量，达到预期防震要求。

建筑隔震设计的主要流程如下：1确定隔震层位置；2明确减震目标和设防标准；3基础隔震方案选择，上部结构布置及初步计算；4根据上部计算的支座反力进行隔震层结构布置；5上部结构带隔震层结构计算分析，并按照基本地震计算确定减震系数；6根据减震系数确定减震之后的地震影响系数最大值，然后进行减震结构上部设计；7隔震层及隔震支座验算（支座在重力荷载代表值下最大压应力，罕遇地震下支座拉应力，支座水平位移验算，偏心率验算，屈重比验算等）8下部承结构设计（下部支承结构按照中震进行正截面设计，按照罕遇地震进行斜截面设计）；9基础设计及地基处理（基础按照正常结构进行设计）；10明确隔震支座连接安装设计要求；11撰写基础隔震设计分析报告（供专项审查）。

二、建筑隔震设计要点

在隔震建筑设计时，主要需考虑预设地振动周期、烈度、最大位移量和建造物重量等参数．隔震器和阻尼器的合理利用，将降低1～2级地震烈度。与以往的建筑结构抗震设计，采用隔震技术的建筑物具有以下优点：提高地震时结构的安全性；设计自由度增大；防止内部物品的振动移动和翻到；防止非结构构件的破坏；抑制振动的不适感；可以保证机械器具的使用功能。为达到明显减震效果，通常设计的基础隔震系统需具备以下四种特性：(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。

我国目前使用最普遍的是铅芯叠层橡胶支座，普通叠层橡胶支座亦有少量应用。由于天然橡胶本身不具有耗能能力，天然橡胶支座阻尼比很小，使用时，常需与其他阻尼器结合使用。铅能与普通板式橡胶支座很好地结合，并且铅具有较低的屈服剪切强度（10MPa)和足够高的初始剪切强度（约130MPa)，其恢复力特性接近刚塑性，因而在隔震支座中加入铅芯除了能起到阻尼作用以外，还可以防止建筑物在强风或微小地震作用时晃动。

隔震分析过程中要注意以下要点：

（1）隔震结构方案的选择

隔震主要用于高烈度地区或使用功能有特别要求的建筑以及符合以下各项要求的建筑：①不隔震时，结构基本周期小于1.0s的多层砌体房屋、钢筋混凝土框架房屋等。②体型基本规则，且抗震计算可采用底部剪力法的房屋。③建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型。④风荷载和其他地震作用的水平荷载不宜超过结构的总重力的10%。隔震建筑方案的采用，应根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，进行技术、经济可行性综合比较分析后确定。

（2）隔震层的设置

隔震层宜设置在结构第一层以下的部位。当隔震层位于第一层及以上时，结构体系的特点与普通隔震结构可能有较大差异，隔震层以下的结构设计计算也更复杂，需作专门研究。①隔震层可由隔震支座、阻尼装置和抗风装置组成。阻尼装置和抗风装置可与隔震支座合为一体，亦可单独设置。必要时可设置限位装置。

②隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合。③隔震支座的平面布置宜与上部结构和下部结构的竖向受力构件的平面位置相对应。④同一房屋选用多种规格的隔震支座时，应注意充分发挥每个橡胶支座的承载力和水平变形能力。⑤同一支承处选用多个隔震支座时，隔震支座之间的净距应大于安装操作所需要的空间要求。⑥设置在隔震层的抗风装置宜对称，分散地布置在建筑物周边或周边附近。

（3）隔震结构的抗震计算

目前的叠层橡胶隔震支座只具有隔离或耗散水平地震的功能，对竖向地震隔震效果不明显，为了反应隔震建筑隔震层以上结构水平地震反应减小这一情况，引入“水平向减震系数”。隔震结构的抗震计算要点如下：

①橡胶隔震支座平均压应力限值和拉应力规定：橡胶支座的压应力既是确保橡胶隔震支座在无地震时正常使用的重要指标，也是直接影响橡胶隔震支座在地震作用时其他各种力学性能的重要指标。它是设计或选用隔震支座的关键因素之一。在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平均压应力设计值，不应超过建筑抗震设计规范（GB50011-2010）的规定，在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。

②隔震结构的抗震计算可采用底部剪力法和时程分析法。

采用底部剪力法时，隔震层以上结构的水平地震作用，沿高度可采用矩形分布，确定水平地震作用的水平向减震系数按建筑抗震设计规范规定确定。采用时程分析法计算隔震和非隔震结构时，计算简图可采用剪切型结构模型，当上部结构体型复杂时，应计入扭转变形的影响。

③隔震支座在罕地遇地震作用下的水平位移验算宜采用时程分析法计算。

④隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震作用下的水平剪力按各隔震支座的水平刚度分配；当考虑扭转时，尚应计及隔震支座的扭转刚度。

⑤上部的结构计算：由于隔震层对竖向隔震效果不明显，故当设防烈度为9度时和8度且水平向减震系数为0.25时，隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算；当设防烈度为8度且水平向减震系数不大于0.5时，宜进行竖向地震作用的计算。对砌体结构，当墙体截面抗震验算时，其砌体抗震抗剪强度的正应力影响系数，宜按减去竖向地震作用效应后的平均压应力取值；上部结构为框架钢筋混凝土结构时，隔震层顶部的纵、横梁和楼板体系应作为上部结构的一部分按设防烈度进行计算和设计；上部结构为砌体结构时，隔震层顶部各纵、横梁均可按受均布荷载的单跨简支梁或多跨连续梁计算。均布荷载可按底部框架砖房的钢筋混凝土托墙梁的规定取值；当按连续梁算出的正弯矩小于单跨简支梁跨中弯矩的0.8倍时，应按0.8倍单跨简支梁跨中弯矩配筋

⑥隔震层以下的结构计算：隔震层以下结构（包括地下室）的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行计算。隔震建筑基础的验算，应符合规范的有关规定。基础抗震验算和地基处理仍应按原设防烈度进行，甲、乙类建筑的抗液化措施可按提高一个液化等级确定，直至全部消除液化沉陷。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范:（GB50011-2010）［S］．2016年版．北京:中国建筑工业出版社，2016．

[2]徐至钧.建筑结构隔震技术与应用［M］．上海:同济大学出版社，2014．