1、現代隔震技術在高層建筑中的應用摘要：對比傳統的抗震技術，隔震技術能夠在地震中更有效的保護建筑結構。隔震技術通過設置隔震層，延長建筑物的基本周期，降低建筑物的地震作用。本文從結構隔震的原理出發，介紹了隔震技術的適用范圍以及隔震系統的組成和類型、隔震結構的設計要求，探討了隔震技術下上部結構的地震作用，得出隔震結構的優點，得出隔震技術應在高層建筑中得到廣泛的推廣的結論。關鍵詞：高層結構，隔震原理，地震作用，層疊橡膠支座 The Application of The Base-Isolation In High-Rise Buildings Zhang BingjieAbstract:The base

2、-isolation is more effective than traditional anti-seismic technology in protecting construct in an earthquake.The base-isolation can lengthen the fundamental period of the construct with isolation layer to reduce seismic action.This article introduces the scope of base-isolation application, the co

3、mponent and type of the base-isolation, the design requirements. These all base on the principle of the base-isolation. Reaching several advantages of base-isolation through the seismic action of the super-structure with base-isolation. At last, we can get a conclusion that the base-isolation should

4、 be popularized in high-rise buildings.Key words: high-rise buildings, base-isolation, seismic action, cascade rubber bearings.1 引 言地震是危及人民生命財產的突發勢自然災害, 全世界每年大約發生 500 萬次地震, 大多數地震都需靈敏的儀器才能測量到, 而人能直接感知的也就約占 1%左右1。我國是地震多發國家, 地震區分布廣闊而分散, 歷次大地震給人民生命財產帶來了巨大損失。我們國家的抗震設防目標是“小震不壞, 中震可修, 大震不倒” 。這就要求結構構件具有足夠的承

5、載力和塑性變形能力。而傳統的結構抗震理論和方法都是建立在提高結構和構件的抗震強度和變形能力的基礎之上的。由于地震對結構物的作用力可能很大，往往需要依靠結構和構件的塑性變形來耗散地震輸入結構的能量。而塑性變形對于結構來講實際是一種損傷。傳統的抗震設計方法一方面要利用結構的塑性變形能力或延性來減小地震作用，又要使結構不發生嚴重的損傷，其實質可以說是對相互矛盾的目標進行某種妥協。長期以來研究人員一直在追求一種既經濟又可靠的抗震措施，同時還要使結構不受損傷或減小損傷，這就是本文要討論的基礎隔震技術。 2 隔震減震技術的發展過程與現狀21基礎隔震技術的早期階段基礎隔震概念最早是由日本學者河合浩藏于188

6、1年提出的，認為先在地基上縱橫交錯放置幾層圓木，圓木上做混凝土基礎，再在混凝土基礎上蓋房，以削弱地震傳遞的能量。1909年，美國的J.A.卡蘭特倫茨提出了另外一種隔震方案，即在基礎與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母，這樣地震時建筑物會發生滑動，以達到隔離地震的目的。1921年，美國工程師FL萊特在設計日本東京帝國飯店時，有意用密集的短樁穿過表層硬土，直接插到軟泥土層底部，利用軟泥土層作為隔震層。1923年關東大地震發生，附近同類建筑毀壞嚴重，但這個建筑卻保持完好。1924年，日本的鬼頭健三郎提出了在建筑物的柱腳與基礎之間插入軸承的隔震方案。1927年，日本的中村太郎論述了加裝阻尼器吸能裝置，在隔

7、震理論方面進行了有益的探索。 在這一階段，雖然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理論基礎，但限于當時的水平與條件，基礎隔震技術的應用未被很好地研究與開發。222基礎隔震技術的現代階段隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結構工程的進一步考驗，特別是近二三十年來，由于采用大量的強震記錄儀對地震進行觀測，使人們較快地積累了有關隔震及非隔震結構工作性能的定量化經驗，從而對早期提出的一些隔震方法進行了淘汰與升華。其中疊層橡膠墊基礎隔震體系被認為是隔震技術邁向實用化最卓有成效的體系。 1984年新西蘭建造了世界上第一幢以鉛芯疊層橡膠墊作為隔震元件的4層建筑物。1985年美國建成第一座4層的疊層橡膠墊隔震大

8、樓加州·圣丁司法事務中心。1986年日本又建成一幢5層高的技術中心樓，采用鉛芯橡膠墊。目前，世界上大約許多個國家在開展這方面的研究，這項技術已被應用在橋梁、建筑，甚至是核設施上。380年代以來，基礎隔震研究開始在我國得到重視，國內不少學者對國際上流行的基礎隔震體系進行了研究，取得了較大的進展，主要以摩擦滑移體系和橡膠隔震支座體系為主體進行了一系列的研究。 國內的研究重點當時集中在以磚混結構為主要應用對象的價格低廉的摩擦滑移隔震結構, 并在摩擦材料選擇、分析方法探討、參數優化、模型試驗研究和試點工程方面取得了一系列成果。1980 年冶金部建筑科學研究總院劉李立發展了多層房屋滑移隔震機構

9、的分析模型及其非線形地震反應分析方法, 并用雙質點體系計算了隔震體系的非線形反應譜。1987 年,國家地震工程力學研究所的楊玉成、高云學等采用模擬地震振動臺輸入地震動進行多層磚房模型的隔震試驗, 證實了隔震效果和結構反應加速度沿結構高度分布規律。80 年代末到90 年代初期華中理工大學唐稼祥等在國家自然科學基金會的支持下, 對橡膠支座隔震元件和體系進行了系統的理論、試驗、和應用研究, 并率先自主開發了橡膠支座產品。從1993 年開始, 橡膠支座隔震建筑開始在個別高烈度區試點。1993 年在華中理工大學唐稼祥等主持下在河南安陽用自主開發的鉛芯橡膠支座建造了一座底框住宅樓。1994 年, 又在四川

10、冕寧建成一座八層框架隔震綜合樓。同期, 在廣州華南建設學院西院周福霖等主持下在汕頭建成了一棟示范性八層框架工程。由云南大理建筑設計院劉榆生等和華南建設學院西院周福霖等主持,1994 年在大理市建成第二幢,并在1995 年10 月24 日云南武定地震(6.5 級)中經受考驗。地震發生時, 傳統抗震建筑激烈晃動, 內部的人站立不穩, 桌上物品跳動, 懸掛物搖擺, 人們驚慌失措, 而隔震建筑中的人卻幾乎沒有震感, 震后才聽說發生了地震。現在，在我國已建成的各類基礎隔震體系的建筑物中，有疊層橡膠墊隔震體系、砂墊層滑移摩擦體系、石墨砂漿滑移體系、懸掛隔震結構體系等，其中絕大多數采用的是粘結型疊層橡膠墊隔

11、震體系。現代隔震技術經歷了30年的歷程，得到了廣泛的應用，目前隔震技術的應用程度在日本等國家，已經成為建筑的主導。3 隔震減震技術的基本原理在建筑物基礎與上部結構之間設置隔震裝置（或系統）形成隔震層，把房屋結構與基礎隔離開來，利用隔震裝置來隔離或耗散地震能量，以避免或減少地震能量向上部結構傳輸，減少建筑物的地震反應，實現地震時建筑物只發生輕微運動和變形，從而使建筑物在地震作用下不損壞或倒塌，這種抗震方法稱之為房屋基礎隔震。4隔震系統一般由隔震器、阻尼器等構成，它具有豎向剛度大、水平剛度小，能提供較大阻尼的特點。基礎隔震的原理可用建筑物的地震反應譜來說明，圖1分別為普通建筑物的加速度反應譜與位移

12、反應譜。從圖中可以看出，對建筑物地震反應有重要影響的主要因素有兩個：一個是結構的周期，一個是阻尼特性。普通中低層鋼筋混凝土或砌體結構建筑物的剛度大、 周期短，其基本周期正好與地震動的卓越周期相近，因此相應的加速度反應比地面運動的加速度放大若干倍，而位移反應卻較小，如圖中A 點所示。如果延長建筑物的周期，而保持阻尼不變，就可以避開地震動的卓越周期，使得結構的加速度反應大大降低，但位移反應卻有所增加，如圖中B 點所示。由于這種結構的反應以第一振型為主，而該振型不與其他振型耦聯，整個上部結構像一個剛體，加速度沿結構高度接近均勻分布，上部結構自身的相對位移很小，如果繼續加大結構的阻尼，加速度反應則繼續

13、減弱，且位移反應也得到明顯降低，如圖中C 點。這就是說，通過延長結構的周期并給予較大的阻尼，就可使結構的加速度反應大大降低。同時，地震作用下結構產生的較大位移可由上部結構底部和基礎頂部之間設置的隔震層來產生，而不由上部結構自身的相對位移來承擔。這樣，上部結構在地震過程中就會發生接近平移的運動，結構基本處于彈性工作狀態，大大提高了上部結構的安全度。 圖 1結構反應譜曲線4 隔震系統的組成與類型4.1隔震系統的組成隔震系統一般由隔震器、阻尼器、地基微震動與風反應控制裝置等部分組成，如圖2所示。在實際應用中，通常可以使幾種功能由同一元件完成，以方便使用。隔震器一方面要在豎向承受建筑物的重量，另一方面

14、在水平方向要有彈性，能提供一定的水平剛度，延長建筑物的基本周期，以避開地震動的卓越周期，降低建筑物的地震反應，能提供較大的變形能力和自復位能力。 阻尼器主要是吸收或耗散地震能量，抑制結構產生大的位移反應，同時在地震結束后幫助隔震器迅速復位。地基微震動與風反應控制裝置的主要作用是增加隔震系統的初期剛度，使建筑物在風荷載或輕微地震作用下保持穩定。常用的隔震器有疊層橡膠支座、螺旋彈簧支座、摩擦滑移支座等。目前國內外應用最廣泛的是疊層橡膠支座，它又可以分為普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等。 阻尼器主要是吸收或耗散地震能量，抑制結構產生大的位移反應，同時在地震結束后幫助隔震器迅速復位。圖 2

15、隔震結構模型圖 地基微震動與風反應控制裝置的主要作用是增加隔震系統的初期剛度，使建筑物在風荷載或輕微地震作用下保持穩定。常用的隔震器有疊層橡膠支座、螺旋彈簧支座、摩擦滑移支座等。目前國內外應用最廣泛的是疊層橡膠支座，它又可以分為普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等。常用的阻尼器有彈塑性阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器、摩擦阻尼器等。常用的隔震系統主要有疊層橡膠支座隔震系統、摩擦滑移加阻尼器隔震系統、摩擦滑移擺隔震系統等。目前，隔震系統形式多樣，各有利弊，而且都不斷的發展。在眾多隔震系統中，層疊橡膠支座隔震系統技術相對來說比較成熟，應用也最為廣泛。特別是鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座系統，

16、由于不用另外附加阻尼器，施工方便，在國際上十分流行。我國建筑抗震設計規范 （GB 50011-2010 ）和夾層橡膠墊隔震技術規程僅針對橡膠隔震支座給出了有關的設計要求。因此，本文主要介紹層疊橡膠支座的類型與性能。4.2層疊橡膠支座的構造與性能疊層橡膠支座是由薄橡膠板和薄鋼板分層交替疊合，經高溫高壓硫化粘結而成，如圖3所示。由于在橡膠層中加入若干塊薄鋼板，并且橡膠層與鋼板緊密粘結，當橡膠支座承受豎向荷載時，橡膠層的橫向變形受到上下鋼板的約束，使橡膠支座具有很大的豎向承載力和剛度。當橡膠支座承受水平荷載時，橡膠層的相對位移大大減小，使橡膠支座可以達到很大的整體側移而不致失穩，并且保持較小的水平剛

17、度（大概是豎向剛度的1/5001/1000）。并且，由于橡膠層與中間鋼板緊密粘結，橡膠層在豎向地震作用下還能承受一定拉力。因此，疊層橡膠支座是一種豎向剛度大、豎向承載力高、水平剛度較小、水平變形能力大的隔震裝置。橡膠支座形狀可分為圓形、方形、和矩形，一般多為圓形，以為圓形與方向無關。支座中心一般設有圓孔，以使硫化過程中橡膠支座所承受熱量均勻，從而保證產品質量。疊層橡膠支座根據使用的橡膠材料和是否加有鉛芯可分為普通疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座。普通疊層橡膠支座普通疊層橡膠支座是采用拉伸較強、徐變較小、溫度變化對性能影響不大的天然橡膠制圖 3橡膠支座的形狀與構造詳圖作而成。這

18、種支座具有高彈性、低阻尼的特點。普通疊層橡膠支座必須和阻尼器配合使用。高阻尼疊層橡膠支座高阻尼疊層橡膠支座是采用特殊配制的具有高阻尼的橡膠材料制作而成，其形狀與普通疊層橡膠支座相同，其性能比普通疊層橡膠支座有所提高。鉛芯疊層橡膠支座鉛芯疊層橡膠支座是在疊層橡膠支座中部圓形孔中壓入鉛制作而成的。由于鉛具有較低的屈服點和較高的塑性變形能力，可使鉛芯疊層橡膠支座的阻尼比達到20%30%。鉛芯具有提高支座的吸能能力，確保支座有適度的阻尼，同時又具有增加支座的初始剛度、控制風反應和抵抗微震的作用。鉛芯橡膠支座既有隔震作用，又有阻尼作用，因此可單獨使用，無需另設阻尼器，使隔震系統的組成變得比較簡單，可以節

19、省空間，在施工上也較為有利。55 隔震結構的設計要求5.1隔震結構方案的選擇隔震主要用于高烈度地區或使用功能有特別要求的建筑以及符合以下各項要求的建筑：1 不隔震時，結構基本周期小于1.0 s的多層砌體房屋、鋼筋混凝土框架房屋等。2 體型基本規則，且抗震計算可采用底部剪力法的房屋。3 建筑場地宜為、類，并應選用穩定性較好的基礎類型。4 風荷載和其他非地震作用的水平荷載標準值產生的總水平力不宜超過結構總重力的10%。隔震建筑方案的采用，應根據建筑抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建筑結構方案和建筑使用要求，進行技術、經濟可行性綜合分析后確定。5.2隔震層的設置隔震層宜設置在結構第一層以下的部位。

20、當隔震層位于第一層及第一層以上時，結構體系的特點與普通隔震結構可能有較大差異，隔震層以下的結構設計計算也更復雜，需作專門研究。隔震層的布置應符合下列要求：1 隔震層可由隔震支座、阻尼裝置和抗風裝置組成。阻尼裝置和抗風裝置可與隔震支座何為一體，也可單獨設置。必要時，可設置限位裝置。2 隔震層剛度中心宜與上部結構的質量中心重合。3 隔震支座的平面布置宜與上部結構和下部結構的豎向受力構件的平面位置相對應。4 同一房屋選用多種規格的隔震支座時，應注意充分發揮每個橡膠支座的承載力和水平變形能力。5 同一支座處選用多個隔震支座時，隔震支座之間的凈距應大于安裝操作所需要的空間要求6 設置在隔震層的抗風裝置宜

21、對稱、分散的布置在建筑物的周邊或周邊附近。5.3隔震技術的適用范圍 抗震體系一般應用在新設計的建筑結構；隔震體系由于其技術本身的特點，決定了它既適用于新建建筑也適用在舊建筑的抗震改造和加固當中，既適用于一般的結構也適用于特殊復雜的結構。66 隔震結構的地震作用文獻7中以一個11層建筑物為例，上部采用鋼筋混凝土結構,隔震層設于建筑物下部，將上部結構與基礎分開。隔震層由水平摩擦機構和分組布置的向心復位機構組成，其中摩擦滑移隔震機構采用高分子聚合物為摩擦材料，該材料的滑動摩擦系數設計值為0.1，阻尼比為 0.1，向心復位機構采用花瓣狀旋彈簧，其剛度取上部結構總重量的2倍。結構各層質量與剛度見表 1。

22、建筑場地依地震烈度為8度，近震、II類場地情況設計。圖 4、 5分別為結構頂層絕對加速度響應歷程和結構底層相對位移響應歷程。從圖 4、5中可以看出，加摩擦滑移隔震后結構的頂層絕對加速度反應和底層相對位移反應比傳統不隔震結構的反應均有所降低，絕對加速度反應比傳統不隔震結構的加速度反應大約降低了 40%左右，其中的最大值降低了將近60%；底層相對位移比傳統不隔震降低了約 20%左右，其中的最大值降低了將近 55%。圖 6為隔震前后各層最大層間位移和最大加速度峰值反應比較圖。從圖 6中可以看出，加摩擦滑移隔震后結構各層最大層間相對位移及最大絕對加速度反應比傳統不隔震結構的反應均有較大幅度地降低，其中

23、最大層間相對位移降低了55%左右，最大絕對加速度則降低了 65%左右。表 1 各層質量與剛度 層數 質量 剛度 11 0. 70 8. 16210 0. 99 8. 162 9 0. 99 8. 162 8 0. 99 8. 162 7 0. 99 8. 162 6 0. 99 8. 162 5 0. 99 8. 162 4 0. 99 8. 162 3 0. 99 8. 162 2 0. 99 10. 280 1 0. 99 10. 280隔震層 0. 64 0. 220圖 4 結構頂層絕對加速度響應歷程圖 5 結構底層相對位移相應歷程圖 6 隔震前后峰值反應比較7 討論目前隔震計算中采用的等效原則將上部結構等效為單自由度和隔震層共同組成兩自由度模型等效原來的基礎隔震體系。建立模型采用的等效原則是按地震時兩個體系動能和基底建立相等的條件推導出子結構的等效質量和等效水平剛度; 按照上部結構基底彎矩相等的等效準則推導出等效高度。對于高層隔震結構體系,上部結構的高階振型效應不能忽略,應用單自由度模型將產生較大誤差。為此，計算高層隔震結構的地震作用時應考慮高階振型的影響。8 結論與展望我國抗震設計的原則是在多遇地震作用下，建筑物基本上不產生損壞；在罕遇地震作用下，建筑物允許產生破