摘要：对比国内外设计及震害经验，隔震技术应用于建筑结构中，将对减轻地震灾害、提高结构抗震性能，起到有力作用。本文通过对隔震结构设计的原理及隔震装置的介绍，指出在隔震结构规划和隔震结构设计上的注意事项，为房屋隔震结构的设计和使用提供了依据。
关键词：隔震结构设计；隔震装置；注意事项
近年来，由于地层运动导致地震灾害频繁发生，由此造成的生命财产损失不可估量。随着国民经济的快速发展，我国对地震的研究投入及对建筑的抗震要求逐步提高。同时，建筑隔震技术的应用对减小震害，降低建筑工程造价等方面有着较为明显的作用。因此，隔震技术在建筑结构中的规模化应用迫在眉睫，它的原理是在建筑物基础与上部结构之间设置一层隔震层，把上部结构与基础隔离开，隔离地面运动能量向上部结构的传递，从而减小建筑物的震害。
一、隔震结构设计概念
1、传统建筑的结构概念。传统建筑常用结构材料为钢材、混凝土、木材等，设计足够的强度和韧性来抵抗地震带来的破坏性，虽可以消除大部分地震能量，但当地震能量强度到一定程度时，仍会对非结构构件的墙，甚至是结构构件造成破坏。
2、隔震建筑的概念。隔震和消能减震是提高建筑物抗震性能的两种主要方法。消能减震通过对角支撑或可回收阻尼器的变形或损伤，将建筑物的振动周期拉长，阻尼比增加，最终达到提高建筑抗震能力的目的。但消能的方式并不能解决地震引起的墙体倒塌和墙体倾斜等问题。而隔震是利用隔震器将地震时产生的建筑物摆动转换成对地面的侧向位移，地震的能量由隔振器吸收。这样的隔震建筑减小了地震对建筑物带来的扭曲和弯曲变形，降低建筑物的倾斜，从而降低了地震对建筑物构造和设备的破坏。隔震结构利用这样的原理，在建筑物基础结构和上部结构之间设置带有阻尼器和隔震支座等隔震装置的隔震层。
二、隔震装置的基本组成
1、阻尼器。对于隔震结构来说，要防止隔震支座过度变形，并吸收能量，阻尼器是必不可少的。阻尼器可分为滞回阻尼型和粘性阻尼型两类，滞回阻尼型是利用钢、铅等金属的塑性变形能量和库仑摩擦力能量，粘性阻尼型则是利用泊、粘性流体和粘弹性体的粘性。它们各有优缺点，必须根据需要的阻尼力、最大允许变形量、环境温度、建筑用途等设计条件进行评估和选择。另外，为了增大扭转刚度，要尽可能将阻尼器配置在隔震层的外周。此外，在使用隔震支座延长建筑周期的同时，为减小剪力反应，要设定适当的阻尼量。根据能量守恒的反应预测法，可计算具有完全弹塑性型恢复力特性的阻尼器的最佳屈服力系数。无论阻尼器的阻尼量过大或过小，隔震层的剪力反应系数都有增大的倾向。
2、隔震支座。隔震支座是隔震结构的主要构件，一般使用叠层橡胶支座。叠层橡胶支座是橡胶和钢板交互叠置在一起。因橡胶的弹性模量小，具有非比缩性，把橡胶做成薄层，用钢板来约束轴向压力产生的横向膨胀，则轴向的变形减小，并会产生很强的抗压能力。叠层橡胶支座若受到水平方向的作用力，会根据自身的弹性模量变形。这样就形成一种竖向坚固、水平柔软的支座。叠层橡胶支座的支承性能，尤其是在承受荷载状态下的水平变形能力很重要。为确保水平变形能力，可增加橡胶的层数，即加厚橡胶层，但竖向的支承力会降低，水平刚度的轴力相关性会变大。也就是说，可通过选择不同的形状，制作出各种具有不同特性的叠层橡胶支座。在选择支座形状时，对第1形状系数和第2形状系数的分析研究是很重要的。特别是第2形状系数对叠层橡胶支座的稳定性有很大的影响，选择时必须加以注意（备注：第1形状系数：单层橡胶受钢板约束的面积与自由表面积之比，与竖向刚度和稳定性有关。第2形状系数：橡胶直径与橡胶层总厚度之比，与承载能力、水平刚度有关。）。
三、规划与设计上的注意事项
1、目标性能与安全界限。隔震层的动力学特性主导着隔震建筑的地震反应，因此隔震装置（隔震支座、阻尼器）的设计决定了结构的抗震性能。设计者应认识到这一点，尽可能对隔震装置的构件进行调查研究，在此基础上进行性能评估。
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2、基本规划与结构设计。隔震建筑结构的设计要明确与非隔震建筑的结构区别，在充分理解的基础上，才能对建筑物的隔震层结构进行规划和设计。建筑物的隔震结构是通过隔震层来吸收大部分的地震输入能量，因隔震层会产生较大的位移，因此无论是在建筑规划还是设备规划或是施工规划等诸多方面，都应充分考虑到这种特殊性。隔震层建筑结构设计的规划重点是隔震层性能。而影响隔震层性能的两大因素是阻尼器和隔震支架。隔震层的刚度和阻尼等特性取决于建筑物的目标性能。建筑物是优先考虑居住性能，以人身安全为首要目的，还以维持维护建筑物内的物品功能为优先选择。不同的目的会影响隔震层性能的倾向。要使分析预测得到的建筑物地震时的反应，能够与各建筑所要求的性能相吻合，设计者必须要将要求性能设定为抗震目标性能，抗震目标性能的设定也是针对外力作用的基本设计。因此，设定时要充分考虑到基准和标准。
3、隔震层竖向相对位移的考虑。大多数使用的叠层橡胶支座的竖向刚度较大。即便如此，大地震时水平变形增大后，竖向也会产生若干变形。即使考虑到所有的影响，根据以前的试验数据，变形也只有几毫米的程度。另外，必须考虑使用年限引起的变形。此外还要考虑温度变化引起的伸缩。一般而言，考虑到施工误差，竖向间隔最好确保有几厘米的间隙。
4、建筑方面针对隔震装置的考虑。设置隔震装置时，必须考虑长期发挥其功能。橡胶遇直射日光、紫外线会加速老化，钢材遇到雨水、露水等会生锈，因此设置时要避免以上情况。另外，使用滑板支座的装置，需要采取保护措施使滑动面不沾染砂石。除此外，如担心受到海风及亚硫酸气体等侵害时，需采取必要的保护措施。隔震装置周围必须留有充足的间隔，确保地震时装置的变形不受建筑物或设备管线的阻碍。最后，根据装置的形式和安装方法，要有一定的检查、修补和更换的空间。
5、隔震层水平相对位移的考虑。隔震建筑遭遇地震时，上部结构和下部结构之间大约会发生数十厘米左右的相对位移。为不阻碍约束相对位移，并避免位移造成的损伤，必须确保走廊、过道等上部结构与地基相连的部分具有充足的间隔。电梯和基础的关系、上部结构到隔震层的楼梯部分也要一样。隔震建筑在与非隔震建筑相连时，相连部分也要遵照这一点采取措施。在发生相对位移的两部分之间设置扶手、栅栏、楼梯时，必须采用柔性接头解决。但对发生频率极低的大地震，考虑这些构件受损的设计也是允许的。不要在发生相对位移的部分放置物品阻碍相对位移，要采取相应的措施避免因错误的物品摆放造成的不良后果。
四、结语
近年来，随着越来越多的新型建筑体系的出现，建筑结构的抗震设计已发展成为结构工程领域的一个重要课题。隔震技术是一种简便、科学有效的减震技术，已广泛应用于建筑结构中，不仅增强了建筑结构的抗震能力，减少了强震作用造成的地震反应，还增加了建筑结构的使用寿命。总之，对于建筑来说，隔震技术和隔震结构的应用可以加固建筑结构、有效减弱建筑结构的地震效应，尤其隔震支座的应用在多次地震中极大的提高了建筑结构的稳固性和防震性能。
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论文作者:邵长浩,王美杰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/4
标签：支座论文; 橡胶论文; 结构论文; 建筑论文; 建筑物论文; 建筑结构论文; 位移论文; 《基层建设》2017年第36期论文;