王丁丁

中國中元國際工程有限公司 北京 100089

隨著隔震減震技術(shù)研究的深入以及實(shí)際工程積攢了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隔震減震方案更加合理、更加先進(jìn)，對(duì)保障人民的財(cái)產(chǎn)安全做出了重要的貢獻(xiàn)。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用隔震減震措施的意義

隨著人民對(duì)建筑安全的重視程度與生活水平的提高，為了防止建筑遭遇地震后中斷重要的使用功能，避免人員傷亡及次生災(zāi)害，減少經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)，2021年國務(wù)院頒布了《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》，從規(guī)章制度層面鼓勵(lì)推廣隔震減震技術(shù)。《條例》中第十六條要求：位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、醫(yī)院、兒童福利機(jī)構(gòu)、幼兒園等建筑應(yīng)當(dāng)按照國家有關(guān)規(guī)定采用隔震減震等技術(shù)，保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用要求。并且國家鼓勵(lì)在除前款規(guī)定以外的建設(shè)工程中采用隔震減震等技術(shù)，提高抗震性能[1]。

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用隔震減震技術(shù)能夠有效降低地震作用對(duì)建筑物的破壞，通過這種方式可以充分提升建筑物的抗震性能，大幅度提升建筑物的安全性，使人身安全和財(cái)產(chǎn)得到保障，因此越來越多的建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)使用隔震減震技術(shù)。隔震減震措施在當(dāng)今時(shí)代背景下已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要手段。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隔震減震的實(shí)現(xiàn)方式

2.1 隔震設(shè)計(jì)方式

隔震設(shè)計(jì)指在房屋基礎(chǔ)、底部或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成具有整體復(fù)位功能的隔震層，以延長整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，達(dá)到預(yù)期防震要求。

隔震結(jié)構(gòu)中的隔震支座分為以下三類：第一類是疊層橡膠隔震支座；第二類是摩擦擺隔震支座；第三類是彈性滑板隔震支座；其中疊層橡膠隔震支座又有以下3種類型：即天然橡膠隔震支座(LNR)、高阻尼橡膠隔震支座（HDR）和鉛芯橡膠隔震支座（LRB)。

隔震設(shè)計(jì)時(shí)較為常見的隔震支座是天然橡膠隔震支座和鉛芯橡膠隔震支座。天然橡膠支座由天然橡膠片或氯丁二烯橡膠片與鋼板經(jīng)高溫硫化黏結(jié)而成，支座受壓時(shí)，橡膠會(huì)向外側(cè)變形，但由于受到內(nèi)部鋼板的約束，以及考慮到橡膠材料的非壓縮性，橡膠層中心會(huì)形成三向受壓狀態(tài)，其壓縮時(shí)的豎向變形量很小，而橡膠支座剪切變形時(shí)，鋼板不會(huì)約束剪切變形，橡膠層可以發(fā)揮自身柔軟的水平特性，從而通過自身較大的水平變形隔斷水平地震作用，同時(shí)還能抑制結(jié)構(gòu)的高階反應(yīng)。天然橡膠支座不提供阻尼，罕遇地震時(shí)隔震支座位移較大，實(shí)際工程中須與其它隔震支座或阻尼器聯(lián)合使用。

由于天然橡膠隔震支座的鋼板可以約束橡膠的豎向變形但對(duì)其水平變形沒有影響，在水平風(fēng)荷載比較大的情況下有可能就會(huì)發(fā)生比較大的水平位移，影響建筑物的正常使用[2]。于是在天然橡膠支座中間開孔壓入鉛芯構(gòu)成鉛芯橡膠隔震支座。由于鉛是一種具有良好塑性變形能力和能量吸收能力的金屬，鉛芯橡膠隔震支座不僅有較高的阻尼比，而且水平性能相對(duì)穩(wěn)定，還有一定的初始剛度，可以提高建筑的抗風(fēng)能力，因此鉛芯橡膠隔震支座兼有天然橡膠隔震支座和阻尼器的作用。

設(shè)計(jì)中常見的隔震方式主要有以下幾類：

一是基礎(chǔ)隔震?；A(chǔ)隔震指的是將隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間，根據(jù)隔震層與室外標(biāo)高關(guān)系以及是否有使用功能，隔震層可設(shè)置在地面以上也可設(shè)置在地面以下。

二是地下室頂板隔震。隔震層設(shè)置在地下室頂板和上部結(jié)構(gòu)之間，隔震層層高由隔震層是否具有使用功能來確定。隔震層作為停車庫、設(shè)備用房等有使用功能時(shí)，應(yīng)根據(jù)消防要求對(duì)隔震支座進(jìn)行防火處理。對(duì)于地下室頂板隔震，通?？煞譃轫敯逡陨蠁嗡投嗨粽?。

三是層間隔震。層間隔震又稱為中間層隔震，指隔震層設(shè)置在建筑地上結(jié)構(gòu)的某相鄰層之間，比如可設(shè)置在裙房的上一層。此時(shí)隔震層通常作為檢修層，同樣需滿足隔震層梁底到下層樓面凈高宜不小于1.2m。

四是錯(cuò)層隔震。錯(cuò)層隔震是指隔震層不在同一樓層的情況。例如，建筑中核心筒處的電梯井道需自上而下貫通，為確保電梯的正常使用，無法設(shè)置隔震縫斷開，這時(shí)候就需要將電梯核心筒的隔震位置設(shè)置在基礎(chǔ)，而核心筒之外的其它豎向構(gòu)件可在地下室頂板或其它位置設(shè)置隔震層，形成了錯(cuò)層隔震。

隔震設(shè)計(jì)時(shí)需注意：設(shè)計(jì)中需要指定隔震層的上、下支墩為關(guān)鍵構(gòu)件，與上支墩相連的隔震層的主梁可定義為重要水平構(gòu)件。同時(shí)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求，在進(jìn)行隔震層下支墩的承載力驗(yàn)算時(shí)，需要考慮由隔震層水平變形產(chǎn)生的附加彎矩；錯(cuò)層隔震時(shí)，相鄰隔震層的層間位移角不應(yīng)大于1/1000；隔震層的質(zhì)量中心和剛度中心宜重合，在設(shè)防地震作用下的偏心率不宜大于3%。隔震層以上的上部結(jié)構(gòu)與周邊任何固定物均應(yīng)有隔離空隙。水平隔離空隙為30mm，豎向隔離縫（隔震溝）為1.2倍罕遇地震時(shí)隔震支座最大水平位移。

隔震層無法隔離豎向地震作用的影響，因此《抗規(guī)》有規(guī)定，確定隔震層以上結(jié)構(gòu)的抗震措施時(shí)，與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震構(gòu)造措施不應(yīng)降低，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是指墻、柱軸壓比要求。

2.2 減震設(shè)計(jì)方式

民用建筑中的減震設(shè)計(jì)一般采用消能減震方式。消能減震設(shè)計(jì)指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，通過消能器的相對(duì)變形和相對(duì)速度提供附加阻尼比，以消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期防震減震要求。

減震結(jié)構(gòu)中的消能器分為以下兩類：第一類是速度相關(guān)型消能器，第二類是位移相關(guān)型消能器。

速度相關(guān)型消能器指黏滯消能器和黏彈性消能器等；黏滯消能器只增加結(jié)構(gòu)的阻尼比，不提供剛度（剛度很小），因此對(duì)結(jié)構(gòu)周期沒有影響，通過增加結(jié)構(gòu)的阻尼比實(shí)現(xiàn)減小結(jié)構(gòu)基底剪力和層間位移的效果，有效減少結(jié)構(gòu)反應(yīng)（位移、速度、加速度）。粘滯阻尼器的布置型式有墻式、斜撐式、K字型等多種型式。

位移相關(guān)型消能器指金屬屈服消能器和摩擦消能器等，包括屈曲約束支撐（BRB）、軟鋼剪切消能器、摩擦型消能器、鉛消能器等。位移相關(guān)型消能器可以有效的增加結(jié)構(gòu)阻尼比，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)剛度，因此結(jié)構(gòu)設(shè)置位移相關(guān)型消能器后，結(jié)構(gòu)的周期變短，阻尼比增加。此類消能器對(duì)于減小結(jié)構(gòu)的總基底剪力效果有時(shí)侯并不顯著，但對(duì)于控制結(jié)構(gòu)位移效果顯著。

在消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要預(yù)先指定消能減震結(jié)構(gòu)所需達(dá)到的位移減震目標(biāo)，進(jìn)而求出所需的附加阻尼比。消能減震結(jié)構(gòu)之所以能提高建筑抗震性能，阻尼器起了關(guān)鍵作用。如何比較準(zhǔn)確的評(píng)估阻尼器的減震作用，這是減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題。在減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，引入附加阻尼比，可以在新的減震設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)之間建立一座相互連通的橋梁。這樣，就能有效地利用熟知的抗震設(shè)計(jì)方法來解決減震設(shè)計(jì)中的新問題。減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)附加阻尼比來考慮阻尼器的作用，從而確定減震后的地震作用減震效果通過減震前后的結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)地震力來體現(xiàn)[3]。

阻尼器在樓層平面內(nèi)的布置宜遵循“均勻、分散、對(duì)稱”的原則。阻尼器豎向布置需通過以下計(jì)算過程確定。先對(duì)非減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，確定層間位移角最大樓層，將阻尼器安裝在此樓層處，安裝數(shù)量根據(jù)具體情況而定，然后再對(duì)安裝了阻尼器的減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將阻尼器安裝到此時(shí)減震結(jié)構(gòu)的層間位移角最大樓層，如此循環(huán)直到將所有阻尼器安裝完畢。而在安裝過程中，需要注意的是某一層的阻尼器數(shù)量不能太多，當(dāng)某一層所需的阻尼器過多時(shí)，可以將其安裝到下面幾層中層間位移較大的樓層。計(jì)算結(jié)果證明阻尼器對(duì)其上部臨近幾層的減震效果要好于下部幾層，通過這種方法確定的阻尼器安裝位置能起到較好的減震效果，同時(shí)阻尼器基本保持沿樓層連續(xù)布置。

由于消能減震的設(shè)計(jì)方式適用性比較強(qiáng)，因此在很多建筑工程項(xiàng)目中都能有效發(fā)揮自身價(jià)值，而且在對(duì)已建成的建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行加固改造時(shí)也可采用，賦予其消能減震的性能。同時(shí)消能減震措施不僅可以應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也可以在鋼結(jié)構(gòu)中發(fā)揮良好的作用，提升鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用隔震減震技術(shù)的注意事項(xiàng)

3.1 選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)體型

設(shè)計(jì)人員進(jìn)行隔震減震設(shè)計(jì)工作時(shí)首先需要做好建筑體型設(shè)計(jì)工作，避免成為超限項(xiàng)目。通常情況下，建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑物的體型設(shè)計(jì)時(shí)，僅會(huì)注重功能使用需求以及建筑立面的美感，而忽視了結(jié)構(gòu)的體型是否規(guī)則，是否具有良好的抗震性能。而從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，如果建筑物具有不規(guī)則的體型，比如平面凹凸不規(guī)則，樓板開大洞口導(dǎo)致樓板不連續(xù)，豎向構(gòu)件收進(jìn)或懸挑，豎向構(gòu)件上下不連續(xù)貫通等，遇到地震時(shí)就很容易出現(xiàn)損毀。反之，如設(shè)計(jì)師將建筑物的體型設(shè)計(jì)成規(guī)則的結(jié)構(gòu)，盡量避免出現(xiàn)上述的不規(guī)則情況，遇到地震時(shí)受到損毀的概率就會(huì)降低。隔震結(jié)構(gòu)宜控制結(jié)構(gòu)高寬比小于4，對(duì)于高寬比較大的結(jié)構(gòu)小震下基礎(chǔ)不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且需進(jìn)行整體傾覆驗(yàn)算，防止支座壓屈。

3.2 準(zhǔn)確把握隔震減震設(shè)計(jì)的要求和特點(diǎn)

確定結(jié)構(gòu)的隔震減震方案時(shí)，可根據(jù)建筑的抗震設(shè)防分類、抗震設(shè)防烈度、場地條件、使用功能及建筑方案特點(diǎn)，從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行綜合分析對(duì)比。

例如，某地區(qū)的人民醫(yī)院病房樓項(xiàng)目建筑高度50m，抗震設(shè)防烈度為8度，地震基本加速度值為0.2g、建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.40s，結(jié)構(gòu)高寬比為2.0，結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框架—剪力墻，抗震等級(jí)為剪力墻一級(jí)、框架二級(jí)。

本工程為醫(yī)院屬于重點(diǎn)設(shè)防類，《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》第2.3.2條規(guī)定：重點(diǎn)設(shè)防類應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施，故應(yīng)按9度確定結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)。同時(shí)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.1.3條規(guī)定：隔震結(jié)構(gòu)底部剪力比不大于0.5時(shí)，上部結(jié)構(gòu)可按本地區(qū)設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施。據(jù)此隔震結(jié)構(gòu)控制底部剪力比小于0.5之后，可按8度確定結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)，減震結(jié)構(gòu)同樣有類似規(guī)定。

初步方案為采用隔震結(jié)構(gòu)，在地下室頂板設(shè)置隔震層。因隔震層增加了一個(gè)結(jié)構(gòu)層的建設(shè)成本；同時(shí)導(dǎo)致基礎(chǔ)底標(biāo)高降低，增加了基坑開挖費(fèi)用和支護(hù)費(fèi)用；并且隔震層需占用部分建筑面積指標(biāo)，但因?qū)痈咻^低，無實(shí)際使用功能。甲方要求對(duì)本項(xiàng)目分別按隔震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

經(jīng)過建模計(jì)算，在規(guī)范技術(shù)方面，本項(xiàng)目病房樓采用減震方案時(shí)，最大樓面水平加速度均超過《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定的限值，不能滿足此技術(shù)導(dǎo)則的要求；建設(shè)造價(jià)成本方面，隔震結(jié)構(gòu)雖因設(shè)置隔震層需增加土方開挖費(fèi)用及隔震支座費(fèi)用，但減震結(jié)構(gòu)為滿足規(guī)范規(guī)定的變形及承載力要求，需將墻、柱、梁的構(gòu)件截面增大較多且配筋較大，導(dǎo)致減震結(jié)構(gòu)的混凝土及鋼筋用量都高于隔震結(jié)構(gòu)，并且減震結(jié)構(gòu)需設(shè)置型鋼子框架增加了型鋼費(fèi)用以及阻尼器費(fèi)用。建筑適用性方面，減震結(jié)構(gòu)相較隔震結(jié)構(gòu)的墻、柱構(gòu)件截面增大較多，對(duì)建筑使用面積、使用功能及樓層凈高同樣有較大影響。

經(jīng)以上幾方面的對(duì)比，結(jié)合本項(xiàng)目的具體情況，最終確定采用隔震設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行隔震減震設(shè)計(jì)時(shí)首先需要準(zhǔn)確把握隔震減震設(shè)計(jì)的相關(guān)政策和規(guī)范要求，其次要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況綜合對(duì)比分析，這樣才能設(shè)計(jì)出安全、合理、經(jīng)濟(jì)的隔震減震建筑。

3.3 隔震建筑中設(shè)備專業(yè)需采取的措施

隔震建筑不僅需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度合理布置隔震支座，滿足結(jié)構(gòu)位移、偏心率等要求，同時(shí)應(yīng)與設(shè)備專業(yè)緊密配合，采取合理的構(gòu)造措施保證隔震建筑在地震中確保設(shè)備管線等不被破壞。

在2022年瀘定6.8級(jí)地震中，甘孜州燕子溝鎮(zhèn)某學(xué)校的行政樓，雖然采用了減隔震組合技術(shù)，但由于設(shè)備專業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮隔震措施，在地震時(shí)隔震的主樓產(chǎn)生了較大的水平位移，導(dǎo)致與非隔震的配樓之間連接的大量設(shè)備管線被拉斷、水管破裂，影響了震后的正常使用功能。

在確保主體結(jié)構(gòu)在地震時(shí)應(yīng)安全的同時(shí)，需保證震后建筑正常使用功能不受影響，對(duì)穿越隔震層的管線應(yīng)采用相應(yīng)處理措施：電線在隔震層處留足多余的長度。上下水管、消防管穿越隔震層處應(yīng)設(shè)置柔性段，采用立管的方式，應(yīng)能保證發(fā)生規(guī)定的位移。當(dāng)管道穿越隔震支座標(biāo)高時(shí)，應(yīng)保證管道及附件與結(jié)構(gòu)的最小距離不小于300mm，當(dāng)管道有法蘭、閥件、支吊架等附屬物時(shí)，間距按附屬物外邊緣計(jì)算。供回水管道、防排煙風(fēng)管穿越隔震層時(shí)，采用柔性連接或其他有效措施適應(yīng)隔震層在罕遇地震作用下對(duì)水平位移的要求。當(dāng)利用結(jié)構(gòu)鋼筋作避雷線時(shí)，應(yīng)在隔震支座的上下連接板之間用銅絲聯(lián)接，當(dāng)專設(shè)避雷線時(shí)，應(yīng)在隔震層處留足多余的長度。燃?xì)夤艿啦灰舜┰礁粽饘?，?dāng)必須穿過時(shí)，入口段穿墻前應(yīng)根據(jù)罕遇地震作用下對(duì)水平位移的大小，設(shè)置金屬波紋管連接，并設(shè)置手動(dòng)及緊急自動(dòng)切斷閥。防排煙風(fēng)管穿越隔震層時(shí)，應(yīng)根據(jù)罕遇地震作用下對(duì)水平位移的要求，采用耐火柔性連接并掛在隔震層梁上，且要求距離墻和柱的距離不小于450mm。

3.4 隔震減震設(shè)備的安裝、維護(hù)、檢修

應(yīng)制定和執(zhí)行對(duì)隔震減震設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)的計(jì)劃。設(shè)備應(yīng)在室內(nèi)干燥環(huán)境下使用，在正常使用情況下可進(jìn)行定期檢查，在遭遇地 震、強(qiáng)風(fēng)、火災(zāi)等災(zāi)害后應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急檢查。隔震減震部件的改裝、修理、更換或加固，應(yīng)在有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行。采用的隔震支座產(chǎn)品和阻尼裝置應(yīng)通過型式檢驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)。型式檢驗(yàn)除滿足產(chǎn)品的相關(guān)規(guī)定外，使用產(chǎn)品的型式檢驗(yàn)報(bào)告有效期不得超過6年。出廠檢驗(yàn)報(bào)告只對(duì)采用該產(chǎn)品的項(xiàng)目有效，不得重復(fù)使用。

不得有任何固定物對(duì)上部結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)形成阻擋。所有豎向隔離空隙形成的水平縫均充填柔性粘結(jié)膠料，以防鼠蟲等爬入或砂塵、風(fēng)雨飄入。

4 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展，各種新的隔震減震理念和設(shè)計(jì)方法不斷應(yīng)用于建設(shè)工程中，不僅滿足了建筑物防震減震的要求，而且在很大程度上促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)努力掌握隔震減震技術(shù)的理論知識(shí)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，做好隔震減震設(shè)計(jì)工作，提高建筑物的抗震性能，確保建筑物的安全性。