1、房屋隔震结构设计浅谈贾国庆（土木工程学院 南京工业大学，江苏 南京 210009）摘 要：本文对隔震结构的设计原理及隔震装置进行了介绍，同时指出了隔震结构规划与设计上注意事项，为房屋隔震结构的设计和使用提供了依据。关键词：房屋隔震 隔震层 阻尼器Housing design of isolated structuresJia Guoqing(College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology Nanjing210009)Abstract: In this paper, the design principle and i
2、solation devices of the isolation structure were introduced. and the considerations of isolated structure planning and design were pointed out The basis of design and use of the isolated structure for housing was provided.Key words: housing isolation, isolation layer, damper1 隔震结构设计特征1.1 隔震结构的原理建筑物的
3、规模、重量、强度、坚固性与人体的大小、体重、柔韧性相比要大得客，这种由质量和刚度构成的安定的建筑保障了人类的日常生活空间。这些建筑物最重要的功能是能够承受持续发挥作用的重量，但同时也要能够抵挡频度较小的地震、台风等外界自然灾害。传统抗震设计的重点在于发生小小地震时能够维护建筑物的功能，保证财产和人身安全；在发作罕遇大地震时，防止建筑物例塌，保护人类生命的安全。后一情况下建筑物自身维持结构的竖向支承功能，吸收地震输入的能量，并容许混凝土产生裂缝和钢材屈服。很多情况下，建筑物内过大的加速度、速度和层间变形会使建筑物内部遭到破坏，地震后存在残余变形，因而难以维持建筑物的功能，震后的维修费用也会增加很
4、多。隔震结构通过在基础结构和上部结构之间设置隔震层，使上部结构与地震动的水平成分绝缘。隔震层中设置隔震支座和阻尼器等隔震装置，其中隔展支座能够安定持续地支承建筑物重量、追随建筑物的水平变形、并且具有适当弹性恢复力，而阻尼器能够用于吸收地震输入能量。因此隔震结构是一种遵循前面提到的抗震设计两个基本要素的结构形式，遭受罕见大地震时，作用扩上部结构的水平力比般建筑要小很多，因此很容易对上部结构进行弹性设计。所以即使遭受罕遇大地震，隔震结构也能维持上部结构的功能，确保建筑物内部财产不遭受损失，保障生命安全。1.2 隔震结构的性能和效果美国北岭地震(1994)中的南加利福尼亚大学医院，兵库县南部地震 (
5、1995)中的 WEST 大楼等隔展结构的强展观测记录，证实了地震时上：部结构产生的水平加速度在地表加速度的 1/3 以下。传统结构中上部结构的加速度反应是地表加速度的 23 倍，因此隔震建筑内部的摇晃程度与传统的建筑相比，大约要小一个数量级。隔震建筑上部结构产生的竖向地震动同一般建筑物一样有若干增幅，但水平地震反应变得很小，极大地增强了建筑物内部牢间的安全性和安心感。2 隔震装置的基本组成2.1 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如三明治状交互叠置在一起。因为橡胶的弹性模量很小，近似具有非比缩性，把橡胶做成薄层，用钢板来约束轴向压力产牛的横向
6、膨胀，则轴向的变形减小，并又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，会根据自身的弹件模量变形（表面的剪切变形） 。这样就形成了一种竖向坚固、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。为了确保水平变形能力，可以增加橡胶的层数，即加厚橡胶层，但是，竖向的支承力(屈服荷载) 会降低，水平刚度的轴力相关性会变大。也就是说可以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。第 1 形
7、状系数：单层橡胶受钢板约束的面积与自由表面积之比（任橡胶领域被单称为形状系数）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（设计隔震结构所用叠层橡胶支座的系数），与承载能力、水平刚度有关。2.2 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。阻尼器分为滞回阻尼型和粘性阻尼型，前者利用钢、铅等金属的塑性变形能量和库仑摩接力能量，后者利用泊、粘性流体和粘弹性体的粘性。它们各有忧缺点，设计者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
8、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，可以计算比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(阻尼器群的屈服力上部结构的全部重量 )。即，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。3 规划与设计上的注意事项3.1 基本规划与结构设计隔震结构通过隔震层吸收大部分地展输入的能量，因此设计时要在充分理解“和非隔震建筑的区别”的基础上进行建筑规划。特别是要处理隔震层产生的较大位移，不仅是建筑规划，在设备规划、施工规划等方面也要充分加以考虑。在结构设计中，如何设定隔震层的性能是规划的重点。隔震支座、阻尼器的设计是其中最重要
9、的部分。以维持建筑内物品(如电脑等机器) 的功能为主要目的，还是以确保人类的居住性为主要目的，目标性能会随之发生变化，要根据这些来决定隔震层必要的刚度、阻尼等特性。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就是针对外力作用的基本设计。因此，设定时不仅要考虑到基准和标准。3.2 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，所以说隔震装置（隔震支座、阻尼器）的设计决定了结构的抗震性能并不为过。设计者应该认识到这一点，尽可能多对隔震装置这种主要构件进行调查研究，在此基础土进行性能评估。3.3
10、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。为了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邢分也是一样。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。但是，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，要采取措施避免错误地理放物品。3.4 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
11、较大。即使如此，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，必须考虑相当于使用年限的徐变引起的变形。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富余。3.5 建筑方面针对隔震装置的考虑置隔震装置时，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伞。除此之外，若担心会受到海风以及亚硫酸气体等侵害时，需要采取必要的保扩措施。隔震装置周围必须留有充足的间隔，确保地震
12、时装置的变形不受建筑物或设备管线的阻碍。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，最好能计划好通往操作中间的通道。要避免让人和动物随意靠近，以免造成损害，也不要在上面放置物品，以免给上述保护措施带来麻烦。对于耐火建筑物，由于橡胶是可燃物，所以要考虑耐火性。当隔震装置设置在最下层楼板上时，几乎投有暴露齐火中的危险，因此无需作特别考虑。但是，当隔震装置设置在基础以外的部分时，需要采取防火措施。目前的作法是在隔震装置周围遮盖具有伸缩性的耐火材料，或者把隔展层设置布防火区内。参考文献：1 潘绍焕. 建筑物隔震技术该说. 邮电设计技术，2000 年第 6 期2 刘伟庆 薛彦涛. 钢筋混凝土结构抗震加固技术的研究. 工程抗震， 1996 年第 3 期3 周云 邓雪松 汤统壁. 中国耗能减振技术理论研究、应用的回顾与前瞻. 工程抗震与加固改造，2006年第 6 期
