工业建筑隔震和消能减震技术设计浅析

工业建筑隔震和消能减震技术设计浅析

王明涛 

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司    陕西  西安  710065

摘要:随着现代建筑技术和建筑材料的进步，工业建筑的规模也在不断扩大。但在地震多发地区，工业建筑特别是大跨度、重型荷载厂房等建筑具有较高的倒塌风险，因此提高工业建筑的抗震能力是降低其垮塌风险的重要措施，本文对隔震和消能减震在工业建筑中的应用进行了系统的分析。

关键词:隔震技术;工业建筑;消能减震技术

前言:在地幔流动等因素的影响下，地壳大陆板块运动缓慢，相互挤压，在这个过程中，板块内部的应力将逐渐增加，能量将持续在板块内部积累，直到应力达到极限，发生断裂，积聚的能量会瞬间以振动的形式传播，最终在地表形成地震。地震的发生具有很高的随机性，即使是现代技术也无法准确地预警。工业建筑抗震措施最基本的方法就是加强建筑物的抗震能力，但“抗”的这种措施达成的效果也很有限。工业建筑隔震和减震措施通常围绕“隔”和“减”进行，例如，在工业建筑中设计隔震和消能减震结构。简单来说，它的原理就是尽可能地将建筑物与地面分开，以便在上述结构阻尼的作用下尽可能地抵消地震产生的能量。由于地震对现代化工业建筑造成的经济损失越来越大，人们也越来越关注它的抗震性能。基于对建筑安全性和经济性的综合考虑，目前对工业建筑抗震性能评价的标准是：不会被小震破坏，中等地震后可以修复，强震后不会发生倒塌。

1.隔震与消能减震设计简介

主要分为抗震、隔震以及消能减震三个部分，抗震结构的主要作用在于抵抗地基震动，隔震结构的主要作用在于隔绝地震的危害，消能减震结构的主要作用在于弱化地震的能量。

2工业建筑隔震、减震材料的选择要点

2.1获得方式的不同

许多学者先后开发了以碎石、改性沥青、石墨和聚四氟乙烯板为主要材料的沥青层隔震技术、碎石垫层隔震技术、聚四氟乙烯滑板隔震技术、石墨滑板隔震技术等多种隔震技术。此外，一些学者根据解耦原理在上层建筑之间设置了组合界面隔震层，以达到消能减震的目的。但是，各种材料之间存在很大的差异，砾石比其它材料更容易获得，基本上不受地域和环境的限制，只受所需粒度和光滑度的影响。对于沥青材料，常规的比较容易获得，但是具有专利的抗震隔离沥青，如 bs 垫层，却很难获得。石墨和聚四氟乙烯板材由于供应商少，市场供应不足，在市场上也很难买到。

2.2价格的不同

根据市场调查：中砂为50元/m3，在砾石垫层基础隔震技术中，假设基床宽度为1m，垫层厚度为0.3 m，条形砾石垫层基础隔震的施工成本每次提高15元，如果聚四氟乙烯板直接铺设在240厚的墙下，墙下聚四氟乙烯滑动板隔震的施工成本为400元/m。对于250×1000×20石墨板，价格为500元/片，仍假定石墨板直接铺设在240厚壁下，壁下石墨板隔离的施工成本为500元/m。对于价格为30元/m2的4mm 厚改性沥青防水卷材，如果直接铺设在240厚的墙体下面，隔离墙下沥青防水卷材的施工成本为7.2元/m。通过以上分析可以看出，砾石和沥青防水卷材在成本方面具有较大的优势。

2.3摩擦系数的不同

大量的试验研究表明，砾石、石墨、聚四氟乙烯板和改性沥青的摩擦系数存在较大差异。根据材料的不同，聚四氟乙烯板材的摩擦系数在0.1-0.5之间。不同的摩擦系数会导致上部结构在地震作用下产生不同的滑动可能性，工业建筑对以上各种滑动材料的适应性也不同。

3.工业建筑隔震和消能减震设计要点

3.1对隔震支座进行优化设计

结构强度的增加将提高建筑物的整体刚度，使其更容易在建筑物与地面之间形成共振。叠层橡胶隔震支座是一种常见的隔震装置，铅芯橡胶隔震支座整体呈 i 型圆筒形，从上到下有外接头板、密封板、内橡胶、内钢板、密封板和外接头板。对于橡胶与钢板重叠形成的部件，在外侧增加保护层，轴承中心穿过铅芯。橡胶和钢板的重叠形成了弹簧的功能。橡胶与钢板之间的水平摩擦在一定程度上限制了水平变形，中心铅芯进一步限制了水平变形，提高了水平刚度。

3.2加筋沥青隔震层设计

加筋沥青隔震层设计具有经济、简便、可靠等特点。隔震层设计包括隔震层高度设计、隔震层配筋设计、上梁、底梁高度设计等，具体要求是通过计算各构件的上部荷载值来确定。隔离层施工顺序为：底梁施工、沥青层施工、上梁施工。隔离层设置在基础上。首先，组装底床钢筋笼，使箍筋间距与隔离钢筋间距保持一致，并在箍筋位置设置钢筋笼。一般垂直加固距离为200mm。在此基础上，将隔震钢筋和箍筋成排组合，并让箍筋埋入底床的长度满足锚固要求，同时确保箍筋尽可能竖直，因为它直接影响阻尼。底坎下需要有足够厚度的保护层。其次，要对钢筋的组装和竖向钢筋的加固进行验算，明确支模和底梁混凝土的浇筑方式。浇筑时辅以振捣，同时纠正竖向钢筋，保证构件竖直。需要注意的是，必须保证隔震层在同一水平面上，从而达到减震效果。隔离层底板混凝土浇筑完毕后，72小时后再开始施工砖墩和沥青层。砖墩的沥青层施工从砌体结构的竖向承重加固开始，沿条形基础布置。施工前需在砖墩两侧竖设模板，确保模板与底坎之间不出现裂缝，以防止沥青流失。浇筑沥青时采用振动器，使砖墩密实紧凑。所采用的填充沥青软膏为普通聚氯乙烯沥青防水软膏，其中混有无机粉体。所需的隔离层沥青夏季不能流动，冬季不能硬化。然后，在1厘米以上的地面上铺上沥青。待沥青软膏冷却凝固后，将模板移走，并铺上垫层。垫层在上梁浇筑混凝土时充当底模。考虑到拆模不方便，应采用防水沥青油毡，上梁施工完毕后不必拆除。

3.3滑移隔震技术

滑动材料主要放置在以下两个位置：一是位于上层建筑之间，由于该位置狭窄，主要适用于石墨、石墨砂浆、石墨板、聚四氟乙烯滑动板等自给系统材料；二是在地基和基础之间。这个地方相对成熟的隔震材料是砾石。由于这种砾石垫层位于基础之下，属于垫层的范畴。滑移隔震技术，原则上主要依靠滑移层与上部结构的滑移来实现地震能量的耗散。为此，需要一个相对较大的位移或有限的阻尼装置。橡胶隔震技术虽然已经广泛应用，但由于其工艺复杂、造价昂贵，在工业建筑中的推广是很有限的。因此，迄今为止，对于适用于工业建筑的滑移隔震极限装置还没有进行深入的研究。由于地震作用必须通过地基传播到上层建筑，许多学者基于传播过程中能量耗散的思想对地基隔震进行了大量的研究。砂土置换可以在建筑物基础上形成层状地层，地震波会被具有不同力学性质的上、下基础界面介质反射、折射。这种弹性界面不仅改变了波传播的几何路径，而且重新分配了波场的能量。地震波的传播引起砂层颗粒之间的相对运动，造成颗粒之间的相对滑动摩擦，从而消耗地震能量。地基土的塑性变形也能够消散地震波的能量，从而达到减震的目的。在这种技术中，砾石被放置在建筑基础拉梁和上部墙柱之间或上部结构之间。这种砾石层的铺设空间有限，所以要求砾石的粒径必须小，厚度必须薄。这种隔震技术最大限度地利用了砾石的易滑性，在地震作用下，上部结构会发生滑移，使传递到上部结构的地震力一方面控制在一定范围内，另一方面通过摩擦耗能减少地震作用传递到上部结构的能量。因为砾石被放置在承重结构之间，这种技术可以被归类为层间隔离。设计上，首先要对工业建筑的地质条件进行分析验证，根据土层条件确定合适的隔震技术。一般来说，地基隔震技术更适用于土层为地质固体的场地，而基础-结构滑移隔震技术则更为适用于地质条件复杂的工业建筑。滑移隔震材料的选择应充分结合工业建筑的抗震等级。采用摩擦系数小的滑动材料时，上部结构容易发生滑移，导致较大的滑移位移，隔震效果好。对于摩擦系数较大的滑移材料，上部结构不易滑动，引起的位移较小，因此在小震作用下效果不明显，但一旦地震作用大于一定值，上部结构就会发生滑动，隔震效果突出。在经济条件允许的情况下，应加强建设性抗震措施，以提高工业建筑的整体稳定性。

3.4工业减震垫技术

工业建筑的减震设计，核心要点在于消除或减轻由设备本身的安装不当或是本身的共震或谐震产生的震动，当设备与基础刚性接触时，这样的震动如果震幅过大，就会造成与之连接的工业建筑出现连续性倒塌，后果非常严重。工业减震垫的原理就是起到卸荷的作用，把刚性接触变成柔性或者挠性接触，达到卸荷的目的。工业减震垫不能减少设备本身的震动，但能有效降低震幅，震幅代表的是能量，也就是一部分的能量通过这种柔性的接触将这部分能量卸去。在设计过程当中，通过在工业建筑某些特定部位中设计减震垫，或者可以通过将不同规格的工业减震垫组合起来，应用于一个减震系统中，这样能更好的发挥减震效果。

4. 结语

综上所述，一旦发生地震，工业厂房，重型荷载车间等建筑物或多或少都会受到不同程度的破坏，最严重的情况就是建筑物完全倒塌，这将对人民的生命和财产安全构成严重威胁。为了避免或减少此类建筑的破坏，确保人和物的安全，充分发挥工业建筑的安全储备及抗震性能，对工业建筑隔震和消能减震技术研究、隔振和减震设计具有重大参考意义。

参考文献：

[1]刘瑞强.建筑隔震和消能减震设计及应用[J].山西建筑，2016，42(22):55-57.

[2]张玉敏，孙兆英，常燕.隔震和消能减震技术及应用[J].唐山高等专科学校学报，2001(02):23-26.