浅谈隔震技术的应用

浅谈隔震技术的应用

林嘉达

广东新长安建筑设计院有限公司 广东汕头 515000

摘要：近年来多地地震频发，经历了唐山大地震、汶川大地震、日本福岛地震，其所带来的危害让人类真切体会到大自然破坏力的可怕，这就使得减隔震技术的柔性隔震在地震中的巨大优势，本文以隔震技术为主，并以一个工程实例来分析。

关键词：隔震技术；结构设计；应用

引言：爆炸冲击、锤击打桩、物体地面撞击以及地震等各种震动源都会引起地面振动，从而使建造在地面上的建筑物产生振动，这个时候建筑物相当于震动源的一个“放大器”，当振动太大且超过结构的承载能力时便会发生破坏。传统的结构抗震是通过加强结构构件的抗震承载力来抵御地震作用，且在地震作用中“以刚克刚”，通过结构构件本身的变形产生塑性铰来消耗吸收震源能量，是一种被动的防护方式。相比隔震技术，采用橡胶隔震支座将上部结构与下部基础完全分隔开，且在建筑物周围尚应预留足够的隔震沟，形成由基础下支墩——隔震支座——上支墩隔震层的隔震体系，让建筑物在遭遇地震的过程中，能通过橡胶隔震支座自身阻尼来消耗地震能量，降低上部结构的地震作用，同时延长上部结构周期，预留的隔震沟使建筑物在来回平移的过程不会撞击到地面，是一种“以柔克刚”的主动防护方式。长远来看，隔震技术在建筑物未来的使用过程中有着显著的经济效益。

1、隔震支座的性能特性。

1.1隔震支座具有能支撑上部荷载的强度与刚度。

1.2隔震支座具备一定的水平初始刚度，避免在风荷载与小震作用下产生滑移、使得上部体系始终维持在弹性状态，满足正常使用要求，遭遇地震时，其柔性隔震的优势可以得到充分体现。

1.3遭遇地震后，上部结构回到初始状态，可对震害过程中达到使用极限的隔震支座进行更换。

1.4隔震支座具备较大的阻尼使之能消耗吸收大部分地震能量。

综上所述，隔震支座可以归结为四种特性，分别为：可承载特性、隔震特性、复位特性、消能耗能特性。

2、隔震技术的原理

结合防撞作用的隔震沟，隔震技术原理的实现在于通过设置橡胶隔震支座将基础与上部结构分隔开，利用隔震支座的阻尼，延长上部结构的周期，使上部结构的加速度反应减少，对地震影响系数进行折减减轻地震作用，遭遇大地震时，较大的位移都集中在隔震层，大部分地震能量通过橡胶隔震垫吸收消耗掉。上部结构自身位移变小，始终保持在弹性工作状态。

3、隔震的应用

前面已阐述了隔震橡胶支座的特性，在目前国内来讲该技术性能优越、可靠稳定，能承受住上部荷载，在布置橡胶隔震支座时需要考虑整体的水平初始刚度，使上部结构在正常使用状态下，遇到多遇地震（小震）或风荷载作用时不会产生较大的水平位移，保证人们在正常使用过程中的舒适感。因此橡胶隔震支座主要分为普通橡胶支座与带铅芯橡胶支座两种，与上部结构的受力特性一致，布置隔震橡胶支座时需要按“外刚内柔”的原则，即将带有铅芯的橡胶隔震支座布置于结构的外围，普通的橡胶支座则布置在结构的内部，使得上部结构的质心能与隔震支座的刚心重合，再通过非隔震模型与隔震模型的中震计算得出剪力比，来确定水平减震系数或底部剪力比，以此对水平地震影响系数αmax进行折减，且根据规范的限值区间可对上部结构的地震作用进行调整并重新确定构件抗震等级措施，以此达到降低地震作用的目的，隔震层的上下支墩则需要通过罕遇地震（大震）工况来验算是否满足要求，在整个设计过程中，隔震支座同时要满足拉、压应力的强度、材料屈重比以及位移计算。

4、工程实例介绍——汕头市金湾学校

本工程案例位于广东省汕头市东海岸新城新津片区，为一所九年一贯制学校，本地抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值0.2g，设计地震分组第二组，三类场地，场地特征周期0.55s，采用框架结构形式，楼层为6层，建筑高度22m，属于重点设防类，乙类建筑，建设场地为软土地区，考虑到后期的不均匀沉降，将建设场地进行了土体固化，基础承台由原方案的地梁—承台拉结形式改为了现浇钢筋混凝土底板—承台拉结形式，同时在下支墩边缘与地面预留了500mm的隔震沟。作为下支墩的一部分，增加了结构隔震底部的整体性。本项目设计于2019年10月初，开始于《建筑隔震设计标准》执行之前，因此采用了《建筑抗震设计规范》的水平减震系数法设计，上部结构采用PKPM软件建立，并由ETABS软件接力隔震模型与非隔震模型在罕遇地震（中震）作用下的结果对比，得出水平减震系数介于0.27~0.40之间，根据《建筑抗震设计规范》的条文解释，上部结构可降低一度来确定抗震措施，与前期的非隔震结构方案相比，各层各构件的尺寸可以相应调小，配筋也在一定程度上减少了，可以想象到的是在未来的施工过程难度也会降低。

在《建筑隔震设计标准》执行之后，本着探索的精神，对金湾学校的计算模型采用整体分析设计法进行了复盘，在采用了新推出的复振型分解反应谱法（CCQC）之后，可以将上、下支墩，隔震橡胶支座输入进模型，通过非线性算法，再结合设防地震（中震）计算结果对比得出的底部剪力比小于0.5，与原设计采用的水平减震系数法得到的结果一致，地震措施可按降低一度来确定，按照减震系数法确认下来的构件尺寸也基本能满足要求，按原设计布置的隔震橡胶支座方案存在些许差异，但结果基本接近。然后对两种算法的配筋进行比较，使用复振型分解反应谱CCQC算法比原设计采用的实振型分解反应谱CQC算法得出的计算配筋大，采用整体分析设计法比水平减震系数法的含钢量大概增加了13.3%。其中集中在隔震层上支墩的梁柱尤为明显，配筋增加幅度约20%，这个是本案例得出的计算结果。在网络上搜罗到的其它工程案例也表明，采用复振型CCQC算法比实振型CQC算法更加准确，尤其是建筑层高越高，计算结果差距越明显，计算含钢量差距高达35%，这可以说明采用新的整体分析设计法可以使隔震结构更加安全。

这里需要特别指出的是，采用复振型CCQC新算法之后，底部剪力比替代了水平减震系数，在计算得出可降低一度来确认抗震构造措施的同时，还需要寻找一个构件尺寸的“平衡点”，否则，在降低一度时，地震作用虽然减小了，但是一味地将结构构件尺寸调小，再重新进行计算得出的结果反而会使底部剪力比大于0.5，这也就说明隔震计算对构件尺寸的要求也是有一定的底线的，在隔震条件下的构件尺寸也要满足各项隔震的基本指标。

结束语：

在我国经济高度发展的背景下，建筑行业的“百花齐放”使得建筑设计上出现了各种各样的造型，这也就对结构的抗震性能有更高的要求，隔震技术的广泛运用以及普及性可以说是对建筑安全性增加了一道安全防线，同时它必将成为减轻不利震害对人类造成的危害做出贡献，在遭遇突发地震时既能保护建筑本身不会严重受损，也保护了建筑内部的设备财产与人员生命安全，从长远的发展来看，不仅安全可靠，且经济效益明显。

参考文献：

[1]张延年.建筑抗震设计.北京：机械工业出版社.

[2]高小旺.建筑抗震设计规范理解与应用.北京：中国建筑工业出版社.

[3]周福霖.工程结构减震控制.北京：地震出版社.

[4]建筑抗震设计规范GB50011-2010

[5]建筑隔震设计标准GB/T51408-2021