冰杰现代隔震减震技术在高层建筑中的应用

1、现代隔震技术在高层建筑中的应用摘要：对比传统的抗震技术，隔震技术能够在地震中更有效的保护建筑结构。隔震技术通过设置隔震层，延长建筑物的基本周期，降低建筑物的地震作用。本文从结构隔震的原理出发，介绍了隔震技术的适用范围以及隔震系统的组成和类型、隔震结构的设计要求，探讨了隔震技术下上部结构的地震作用，得出隔震结构的优点，得出隔震技术应在高层建筑中得到广泛的推广的结论。关键词：高层结构，隔震原理，地震作用，层叠橡胶支座 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财产的突发势自然灾害, 全世界每年大约发生 500 万次地震, 大多数地震都需灵敏的仪器才能测量到, 而人能直接感知的也就约占 1%左右1。我国是地震多发国家, 地震区分布广阔而分散, 历次大地震给人民生命财产带来了巨大损失。我们国家的抗震设防目标是“小震不坏, 中震可修, 大震不倒” 。这就要求结构构件具有足够的承

5、载力和塑性变形能力。而传统的结构抗震理论和方法都是建立在提高结构和构件的抗震强度和变形能力的基础之上的。由于地震对结构物的作用力可能很大，往往需要依靠结构和构件的塑性变形来耗散地震输入结构的能量。而塑性变形对于结构来讲实际是一种损伤。传统的抗震设计方法一方面要利用结构的塑性变形能力或延性来减小地震作用，又要使结构不发生严重的损伤，其实质可以说是对相互矛盾的目标进行某种妥协。长期以来研究人员一直在追求一种既经济又可靠的抗震措施，同时还要使结构不受损伤或减小损伤，这就是本文要讨论的基础隔震技术。 2 隔震减震技术的发展过程与现状21基础隔震技术的早期阶段基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于188

6、1年提出的，认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土基础上盖房，以削弱地震传递的能量。1909年，美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母，这样地震时建筑物会发生滑动，以达到隔离地震的目的。1921年，美国工程师FL莱特在设计日本东京帝国饭店时，有意用密集的短桩穿过表层硬土，直接插到软泥土层底部，利用软泥土层作为隔震层。1923年关东大地震发生，附近同类建筑毁坏严重，但这个建筑却保持完好。1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案。1927年，日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置，在隔

7、震理论方面进行了有益的探索。 在这一阶段，虽然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理论基础，但限于当时的水平与条件，基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发。222基础隔震技术的现代阶段随着地震工程理论的逐步建立以及实际地震对结构工程的进一步考验，特别是近二三十年来，由于采用大量的强震记录仪对地震进行观测，使人们较快地积累了有关隔震及非隔震结构工作性能的定量化经验，从而对早期提出的一些隔震方法进行了淘汰与升华。其中叠层橡胶垫基础隔震体系被认为是隔震技术迈向实用化最卓有成效的体系。 1984年新西兰建造了世界上第一幢以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物。1985年美国建成第一座4层的叠层橡胶垫隔震大

8、楼加州·圣丁司法事务中心。1986年日本又建成一幢5层高的技术中心楼，采用铅芯橡胶垫。目前，世界上大约许多个国家在开展这方面的研究，这项技术已被应用在桥梁、建筑，甚至是核设施上。380年代以来，基础隔震研究开始在我国得到重视，国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了研究，取得了较大的进展，主要以摩擦滑移体系和橡胶隔震支座体系为主体进行了一系列的研究。 国内的研究重点当时集中在以砖混结构为主要应用对象的价格低廉的摩擦滑移隔震结构, 并在摩擦材料选择、分析方法探讨、参数优化、模型试验研究和试点工程方面取得了一系列成果。1980 年冶金部建筑科学研究总院刘李立发展了多层房屋滑移隔震机构

9、的分析模型及其非线形地震反应分析方法, 并用双质点体系计算了隔震体系的非线形反应谱。1987 年,国家地震工程力学研究所的杨玉成、高云学等采用模拟地震振动台输入地震动进行多层砖房模型的隔震试验, 证实了隔震效果和结构反应加速度沿结构高度分布规律。80 年代末到90 年代初期华中理工大学唐稼祥等在国家自然科学基金会的支持下, 对橡胶支座隔震元件和体系进行了系统的理论、试验、和应用研究, 并率先自主开发了橡胶支座产品。从1993 年开始, 橡胶支座隔震建筑开始在个别高烈度区试点。1993 年在华中理工大学唐稼祥等主持下在河南安阳用自主开发的铅芯橡胶支座建造了一座底框住宅楼。1994 年, 又在四川

10、冕宁建成一座八层框架隔震综合楼。同期, 在广州华南建设学院西院周福霖等主持下在汕头建成了一栋示范性八层框架工程。由云南大理建筑设计院刘榆生等和华南建设学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 级)中经受考验。地震发生时, 传统抗震建筑激烈晃动, 内部的人站立不稳, 桌上物品跳动, 悬挂物摇摆, 人们惊慌失措, 而隔震建筑中的人却几乎没有震感, 震后才听说发生了地震。现在，在我国已建成的各类基础隔震体系的建筑物中，有叠层橡胶垫隔震体系、砂垫层滑移摩擦体系、石墨砂浆滑移体系、悬挂隔震结构体系等，其中绝大多数采用的是粘结型叠层橡胶垫隔

11、震体系。现代隔震技术经历了30年的历程，得到了广泛的应用，目前隔震技术的应用程度在日本等国家，已经成为建筑的主导。3 隔震减震技术的基本原理在建筑物基础与上部结构之间设置隔震装置（或系统）形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量，以避免或减少地震能量向上部结构传输，减少建筑物的地震反应，实现地震时建筑物只发生轻微运动和变形，从而使建筑物在地震作用下不损坏或倒塌，这种抗震方法称之为房屋基础隔震。4隔震系统一般由隔震器、阻尼器等构成，它具有竖向刚度大、水平刚度小，能提供较大阻尼的特点。基础隔震的原理可用建筑物的地震反应谱来说明，图1分别为普通建筑物的加速度反应谱与位移

12、反应谱。从图中可以看出，对建筑物地震反应有重要影响的主要因素有两个：一个是结构的周期，一个是阻尼特性。普通中低层钢筋混凝土或砌体结构建筑物的刚度大、 周期短，其基本周期正好与地震动的卓越周期相近，因此相应的加速度反应比地面运动的加速度放大若干倍，而位移反应却较小，如图中A 点所示。如果延长建筑物的周期，而保持阻尼不变，就可以避开地震动的卓越周期，使得结构的加速度反应大大降低，但位移反应却有所增加，如图中B 点所示。由于这种结构的反应以第一振型为主，而该振型不与其他振型耦联，整个上部结构像一个刚体，加速度沿结构高度接近均匀分布，上部结构自身的相对位移很小，如果继续加大结构的阻尼，加速度反应则继续

13、减弱，且位移反应也得到明显降低，如图中C 点。这就是说，通过延长结构的周期并给予较大的阻尼，就可使结构的加速度反应大大降低。同时，地震作用下结构产生的较大位移可由上部结构底部和基础顶部之间设置的隔震层来产生，而不由上部结构自身的相对位移来承担。这样，上部结构在地震过程中就会发生接近平移的运动，结构基本处于弹性工作状态，大大提高了上部结构的安全度。 图 1结构反应谱曲线4 隔震系统的组成与类型4.1隔震系统的组成隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微震动与风反应控制装置等部分组成，如图2所示。在实际应用中，通常可以使几种功能由同一元件完成，以方便使用。隔震器一方面要在竖向承受建筑物的重量，另一方面

14、在水平方向要有弹性，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应，能提供较大的变形能力和自复位能力。 阻尼器主要是吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震结束后帮助隔震器迅速复位。地基微震动与风反应控制装置的主要作用是增加隔震系统的初期刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。目前国内外应用最广泛的是叠层橡胶支座，它又可以分为普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。 阻尼器主要是吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震结束后帮助隔震器迅速复位。图 2

15、隔震结构模型图 地基微震动与风反应控制装置的主要作用是增加隔震系统的初期刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。目前国内外应用最广泛的是叠层橡胶支座，它又可以分为普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等。常用的隔震系统主要有叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移加阻尼器隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统等。目前，隔震系统形式多样，各有利弊，而且都不断的发展。在众多隔震系统中，层叠橡胶支座隔震系统技术相对来说比较成熟，应用也最为广泛。特别是铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座系统，

16、由于不用另外附加阻尼器，施工方便，在国际上十分流行。我国建筑抗震设计规范 （GB 50011-2010 ）和夹层橡胶垫隔震技术规程仅针对橡胶隔震支座给出了有关的设计要求。因此，本文主要介绍层叠橡胶支座的类型与性能。4.2层叠橡胶支座的构造与性能叠层橡胶支座是由薄橡胶板和薄钢板分层交替叠合，经高温高压硫化粘结而成，如图3所示。由于在橡胶层中加入若干块薄钢板，并且橡胶层与钢板紧密粘结，当橡胶支座承受竖向荷载时，橡胶层的横向变形受到上下钢板的约束，使橡胶支座具有很大的竖向承载力和刚度。当橡胶支座承受水平荷载时，橡胶层的相对位移大大减小，使橡胶支座可以达到很大的整体侧移而不致失稳，并且保持较小的水平刚

17、度（大概是竖向刚度的1/5001/1000）。并且，由于橡胶层与中间钢板紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定拉力。因此，叠层橡胶支座是一种竖向刚度大、竖向承载力高、水平刚度较小、水平变形能力大的隔震装置。橡胶支座形状可分为圆形、方形、和矩形，一般多为圆形，以为圆形与方向无关。支座中心一般设有圆孔，以使硫化过程中橡胶支座所承受热量均匀，从而保证产品质量。叠层橡胶支座根据使用的橡胶材料和是否加有铅芯可分为普通叠层橡胶支座、高阻尼叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座。普通叠层橡胶支座普通叠层橡胶支座是采用拉伸较强、徐变较小、温度变化对性能影响不大的天然橡胶制图 3橡胶支座的形状与构造详图作而成。这

18、种支座具有高弹性、低阻尼的特点。普通叠层橡胶支座必须和阻尼器配合使用。高阻尼叠层橡胶支座高阻尼叠层橡胶支座是采用特殊配制的具有高阻尼的橡胶材料制作而成，其形状与普通叠层橡胶支座相同，其性能比普通叠层橡胶支座有所提高。铅芯叠层橡胶支座铅芯叠层橡胶支座是在叠层橡胶支座中部圆形孔中压入铅制作而成的。由于铅具有较低的屈服点和较高的塑性变形能力，可使铅芯叠层橡胶支座的阻尼比达到20%30%。铅芯具有提高支座的吸能能力，确保支座有适度的阻尼，同时又具有增加支座的初始刚度、控制风反应和抵抗微震的作用。铅芯橡胶支座既有隔震作用，又有阻尼作用，因此可单独使用，无需另设阻尼器，使隔震系统的组成变得比较简单，可以节

19、省空间，在施工上也较为有利。55 隔震结构的设计要求5.1隔震结构方案的选择隔震主要用于高烈度地区或使用功能有特别要求的建筑以及符合以下各项要求的建筑：1 不隔震时，结构基本周期小于1.0 s的多层砌体房屋、钢筋混凝土框架房屋等。2 体型基本规则，且抗震计算可采用底部剪力法的房屋。3 建筑场地宜为、类，并应选用稳定性较好的基础类型。4 风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。隔震建筑方案的采用，应根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，进行技术、经济可行性综合分析后确定。5.2隔震层的设置隔震层宜设置在结构第一层以下的部位。

20、当隔震层位于第一层及第一层以上时，结构体系的特点与普通隔震结构可能有较大差异，隔震层以下的结构设计计算也更复杂，需作专门研究。隔震层的布置应符合下列要求：1 隔震层可由隔震支座、阻尼装置和抗风装置组成。阻尼装置和抗风装置可与隔震支座何为一体，也可单独设置。必要时，可设置限位装置。2 隔震层刚度中心宜与上部结构的质量中心重合。3 隔震支座的平面布置宜与上部结构和下部结构的竖向受力构件的平面位置相对应。4 同一房屋选用多种规格的隔震支座时，应注意充分发挥每个橡胶支座的承载力和水平变形能力。5 同一支座处选用多个隔震支座时，隔震支座之间的净距应大于安装操作所需要的空间要求6 设置在隔震层的抗风装置宜

21、对称、分散的布置在建筑物的周边或周边附近。5.3隔震技术的适用范围 抗震体系一般应用在新设计的建筑结构；隔震体系由于其技术本身的特点，决定了它既适用于新建建筑也适用在旧建筑的抗震改造和加固当中，既适用于一般的结构也适用于特殊复杂的结构。66 隔震结构的地震作用文献7中以一个11层建筑物为例，上部采用钢筋混凝土结构,隔震层设于建筑物下部，将上部结构与基础分开。隔震层由水平摩擦机构和分组布置的向心复位机构组成，其中摩擦滑移隔震机构采用高分子聚合物为摩擦材料，该材料的滑动摩擦系数设计值为0.1，阻尼比为 0.1，向心复位机构采用花瓣状旋弹簧，其刚度取上部结构总重量的2倍。结构各层质量与刚度见表 1。

22、建筑场地依地震烈度为8度，近震、II类场地情况设计。图 4、 5分别为结构顶层绝对加速度响应历程和结构底层相对位移响应历程。从图 4、5中可以看出，加摩擦滑移隔震后结构的顶层绝对加速度反应和底层相对位移反应比传统不隔震结构的反应均有所降低，绝对加速度反应比传统不隔震结构的加速度反应大约降低了 40%左右，其中的最大值降低了将近60%；底层相对位移比传统不隔震降低了约 20%左右，其中的最大值降低了将近 55%。图 6为隔震前后各层最大层间位移和最大加速度峰值反应比较图。从图 6中可以看出，加摩擦滑移隔震后结构各层最大层间相对位移及最大绝对加速度反应比传统不隔震结构的反应均有较大幅度地降低，其中

23、最大层间相对位移降低了55%左右，最大绝对加速度则降低了 65%左右。表 1 各层质量与刚度 层数 质量 刚度 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隔震层 0. 64 0. 220图 4 结构顶层绝对加速度响应历程图 5 结构底层相对位移相应历程图 6 隔震前后峰值反应比较7 讨论目前隔震计算中采用的等效原则将上部结构等效为单自由度和隔震层共同组成两自由度模型等效原来的基础隔震体系。建立模型采用的等效原则是按地震时两个体系动能和基底建立相等的条件推导出子结构的等效质量和等效水平刚度; 按照上部结构基底弯矩相等的等效准则推导出等效高度。对于高层隔震结构体系,上部结构的高阶振型效应不能忽略,应用单自由度模型将产生较大误差。为此，计算高层隔震结构的地震作用时应考虑高阶振型的影响。8 结论与展望我国抗震设计的原则是在多遇地震作用下，建筑物基本上不产生损坏；在罕遇地震作用下，建筑物允许产生破