以隔震功能主导下的建筑结构设计与应用

以隔震功能主导下的建筑结构设计与应用

张勤妹

浙江创新建筑设计有限公司 浙江嘉兴 314019 

摘要：地震灾害对建筑具有较强的破坏性，严重威胁人们的生命财产安全。建筑结构设计中引用隔震控制技术有利于减轻地震造成的结构变形，减少维修费用，提高建筑的抗震性能，增强建筑结构的安全性、稳定性。因此，本文阐述了隔震技术的内容以及隔震建筑的类型，并对隔震功能主导下的建筑结构设计和应用展开探究，为建筑结构抗震设计提供参考。

关键字：隔震功能；建筑结构；设计；应用

前言

在传统的建筑抗震设计中，坚持小震不坏、中震可修、大震不倒的标准进行设计，主要提升地震下建筑结构的性能，但该方式是以“抗”为主，过于被动，想要使建筑结构在中震、大震中依然满足特定性能指标，则需要投入较大的成本。对此，为了保证建筑结构在中震、大震中满足抗震性能目标，就需要对建筑结构进行隔震设计，在建筑基底部或者某处设置隔震装置，形成隔震层，隔离上下部结构，消耗地震能量，尽可能避免地震能量向上传输，增强建筑结构的稳定性，以保证生命财产安全。

1 隔震技术概述

隔震技术指的是使用具有一定承载力的隔震材料，在建筑地基和上部结构之间，通过柔性连接，设置隔震系统，有效“隔离”地震，减轻地震对上部建筑的损坏，其核心就是降低地震对建筑物的作用，以起到防震的目的。

2 隔震建筑的类型

2.1 基础隔震

基础隔震是建筑抗震中较为常见的一种类型，大量实验证明，基础隔震不仅投资较少，其安全系数较高。基础滑动隔震的效果几乎不会受到地面运动频率的影响，很少出现共振的现象。如图1所示，为基础隔震体系。基础隔震主要就是在建筑物基础、上部结构之间，设置隔震层，对于地面运动，有效控制其向上部结构传递，发生地震时，隔震层会吸收地震能量，减小地震对建筑结构的影响，保证建筑的安全。基础隔震中使用的橡胶隔震垫具有较好的隔震性能，并且隔震技术在造价上具有一定的优越性。基础隔震设计中，隔震层应比基础大一些，保证场地宽裕；隔震层四周设置挡土墙，上部有墙外狭道，保证地震期间不会因为上部结构的移动而引发问题；保证隔震建筑、其他建筑间的联系通道，能够适用相对变形。

图1 基础隔震体系

2.2 中间隔震

中间隔震是在建筑基础上的中间层设置隔震层，建筑的下部结构与普通建筑一样，直接和地基接触，不过，隔震层下方的楼层也要进行抗震处理。针对市区用地紧张的情况下，在地面上设置隔震层，空中变形不仅可以减少地基挖土量，也能够节约用地。在中间隔震设计中，在隔震层外墙设置水平缝，便于其移动变形；解决管线、楼梯等贯穿隔震层的问题，合理划分防火区间[1]。

3 隔震功能在建筑结构设计中的作用

3.1 提高建筑结构稳定性

常见的隔震建筑类型为基础隔震形式，地震到来时，地面往上的建筑结构保持不动，结构大变形一般发生在基底隔震层位置，由于结构自身变形不大，可将上部结构当作一个钢体，有效保证建筑结构，提高地震时建筑结构的稳定性。发生中小地震时，隔震结构基本不会受到破坏，处于弹性阶段，在较为罕见的大地震中，隔震结构只出现部分破坏，并不会倒塌，建筑上部结构似是刚体振动。

3.2 减少建筑结构造价

与普通建筑结构相比，隔震装置虽然在造价上有一定的增加，不过，由于大地震期间建筑上部结构较少受到地震影响，有效减少上部结构构件的配筋等，且施工比较简单，从总造价来看，呈降低趋势。同时，建筑隔震功能以增强建筑结构的稳定性为主，在地震时减缓建筑的下落速度，抗震效果较好，使用新的隔震设备能够提升设备利用率，减少设备维修或者更换的频率，经历小规模地震后并不需要维修和更换，有效减少了资源浪费。

3.3 保持设备的正常使用功能

橡胶支座隔震是比较常用的一种隔震方式，材料可以是天然橡胶，也可以是人工合成橡胶。橡胶支座是使用薄钢板、橡胶片构成的，将钢板的边缘缩进橡胶内，避免锈蚀。橡胶层厚度与橡胶支座承受的竖向荷载呈负相关，厚度越小，可承受的竖向荷载就越大，竖向刚度、侧向刚度也会越大。隔震技术应用中，要求隔震支座水平刚度比较少，对水平地震进行隔离；对于隔震垫的竖向刚度，要求大一些，防止上部结构出现竖向不均匀的变形情况，而叠层钢板橡胶满足以上需求，也是当前较为常见的一种隔震方式。

4 隔震功能主导下的建筑结构设计与应用

4.1 基础隔震结构设计

①明确隔震目标

隔震功能主导下，建筑结构设计需要先确定基础隔震的具体目标。从震害工程实践中，15层以下的建筑，隔震目标为降低一度半到一度；15层-30层的建筑，隔震目标为降低一度到半度。与没有隔震结构的建筑相比，建筑隔震结构的隔震目标比较高，在隔震设计中，以达到“不破坏、轻微损坏、大地震保持使用功能”的效果[2]。

②建筑上部结构计算

隔震橡胶支撑的抗扭、抗弯刚度比较低，或者是在转矩、弯矩传递中存在不足，为了模拟结构的真实受力情况，将底部柱子改为下端铰接约束。当上部支撑层为基础，就需要在层底设置铰接约束，反之，不设置。

橡胶隔震支座能够有效降低水平向地震的影响，对于竖向地震的影响，并没有较大的降低效果。建筑隔震设置后，相比于水平地震作用力，建筑的垂直地震作用力更大一些。对此，从水平方向阻尼系数，在隔震层确定水平地震作用，垂直地震作用的标准值为8度（0.2g）、8度（0.3g）、9度（0.4g），对应的地震反应值，不应该低于隔震层上方建筑的20%、30%、40%。在具体设计中，不应减少垂直地震有关参数。

在模型计算中，将模型分为两份，一份为隔震模型，另一份为无隔震模型，不设置隔震支座；在隔震模型的基础上，设计无隔震模型，并计算地震时程；通过对比获得横向阻尼系数，采用反映谱方法，将无隔震模型的水平阻尼系数计算出来；构成两种隔震层的模型。

竖向压应力是在拉力作用下产生的，橡胶隔震器的纵向极限张应力，比垂直最大值更小一些，在设计期间需要放置橡胶隔震支座的受拉，若不能避免，将其控制在1MPa下即可[3]。如表1所示，为橡胶隔震支座压应力的限值，在重力荷载代表值竖向压应力，确保不超出规定的数值。普通的橡胶隔震器滞回环较窄，且能耗不高，等效阻尼比处于1%-2%之间，而铅芯橡胶隔震器滞回环则相对饱满一些，其能耗比较大，等效阻尼比处于15%-25%之间。对于隔震层的支柱、支墩、连接构件等，依据隔震支座底部的竖向力、水平力、力矩，完成校核，在获得支座高度的相关参数之后，建立柱层，计算节点荷载，得到支墩加固效果。

表1 橡胶隔震支座压应力的限值

③下部结构设计

对于隔震层的支柱、支墩、连接构件，依据较为罕见的地震，计算隔震结构在其作用下的各种力，包括竖向力、水平力、力矩。设置隔震层之后，隔震层下方的结构应满足抗震要求，对于罕见地震中的抗剪承载力，对其做好校核。在分层隔震当中，保证下层刚度比上层更大一些，刚度不能小于2，以确保满足嵌固比要求[4]。在基础隔震设计过程中，构建隔震支座模型，计算下部结构。

4.2 层间隔震结构设计

层间隔震结构主要就是在建筑的中间层设置隔震装置，发生地震时有效发挥耗能减震装置的作用，吸收地震能量，在一定程度上起到减震的作用，降低地震对建筑物造成的破坏。如图2所示，为层间隔震示意图。层间隔震结构设计较为简单，并且操作难度不大，极易实现，所使用的成本也较低，以较少的成本达到一定程度的抗震效果。与基础隔震结构相比，虽然两者设立的装置是相同的，但是其减震效果却略微差一些，一般情况下，层间隔震结构用于旧建筑改造中，很少应用到新建的建筑当中。

图2 层间隔震

4.3 悬挂隔震结构设计

悬挂隔震指的是将建筑整体结构悬置起来，也叫做悬置隔震，悬架结构可以在地震中有效降低对建筑的不良影响。地震发生之后，产生的力不能够第一时间传输到悬挂结构当中，从而有效减少地震对建筑产生的危害。在一些大型建筑中，一般会采取悬挂隔震的方式，建筑结构通常选择钢结构，其隔震效果也比较好[5]。对于悬挂隔震结构，还可以将其分为主框架、子框架两种。在主框架结构中，使用链条，与主框架连接起来，地震到来时会受到一定的影响，出现震动的现象，当其作用于子框架时，地震的能量就会大大降低，有效减小地震对子框架的危害。由此可见，悬挂隔震在建筑结构设计中具有较好的应用效果，对建筑整体抗震能力的提升有着积极促进的作用。

4.4 实例分析

某办公楼地上6层，第一层5.1m，其他层高全部为3.6m，总高度为24.6m，在基础顶部设置隔震支座，建筑的上部结构是钢框架结构，基础为独立基础，建筑属于丙类建筑，场地属于Ⅱ类。

隔震层设置在建筑的基础顶部，在受力比较大的位置，设置橡胶隔震支座，对于支座数量 、规格以及具体的分布情况，需要结合竖向承载力、侧向刚度、阻尼要求等，经过计算分析之后合理确定。在罕见的地震下，隔离层保持稳定，不宜出现无法回复的变形以及拉应力。水平向减震系数是0.5，以此展开上部结构设计，计算支座的轴向力。对于丙类建筑的隔震支座，其平均应力不应超出15MPa，以此确定支座直径。隔震支座的中柱支座、边柱支座类型为LRB600型，竖向承载力2673KN，数量为20个。

结语：伴随着建筑行业的不断发展，人们对于建筑抗震提出了较高的要求。隔震技术在建筑结构设计中的应用不仅能够增强结构的稳定性，还能够减少造价成本，保持建筑内设备的正常使用，降低地震对建筑的不良影响，有效保障人们的生命、财产安全。

参考文献：

[1]陈明华.以隔震功能主导下的建筑结构设计与运用[J].建筑结构,2022,52(23):182.

[2]赵雪飞,卢小玉.浅谈建筑结构设计中“隔震减震控制技术”的应用和发展趋势[J].建材与装饰,2019(02):127-128.

[3]刘涛.建筑结构设计中的隔震减震措施研究[J].居业,2022(11):91-93.

[4]姜伯宵.浅析建筑结构设计中的隔震措施[J].城市建设理论研究(电子版),2019(18):156.

[5]许婷婷.隔震减震控制技术在建筑结构设计中的应用[J].工程技术研究,2021,6(18):205-206.