减震技术丨建筑结构隔震技术及其应用，可收藏
建筑用隔震支座主要分两大类：橡胶隔震支座和滑动隔震支座。国内大量使用的是橡胶隔震支座。国产的橡胶隔震支座质量可靠，性能优良，已成功出口到日本。
1 橡胶隔震支座
1.1 普通橡胶隔震支座（NRB）和铅芯橡胶隔震支座（LRB）
普通橡胶垫支座由薄橡胶板与薄钢板分层交替叠合在高温、高压下整体硫化而成，橡胶层与钢板紧密结合确保了钢板对橡胶层的变形约束，使其具有较高的纵向受压承载能力和水平变形能力。时程分析时，普通橡胶计算模型为简单弹性模型。当计算需要考虑受拉时，应取折线形弹性模型，见图1。
图1 普通橡胶隔震支座计算模型
铅芯橡胶隔震支座(图2)则是在普通橡胶隔震支座中开孔注铅而成，具有较高的阻尼，能有效降低结构的地震作用，减小隔震层的位移。
图2 铅芯橡胶隔震支座示意
时程分析时，铅芯橡胶隔震支座采用双剪Wen模型，见图3。
图3 铅芯橡胶隔震支座Wen模型
橡胶隔震支座的生产工艺基本成熟，但在材料性能方面还有改进和提高的空间。隔震橡胶支座的耐久性能取决于橡胶。影响橡胶耐久性能的主要原因是氧化反应和蠕变。在橡胶中掺入抗氧化剂，以及采用耐久性能好的橡胶作防护层，可大大提高隔震橡胶支座的耐久性，目前国内生产的隔震橡胶支座的寿命已与建筑物的寿命相当。
在建筑隔震设计中很少对橡胶支座进行分析验算，只要求橡胶隔震支座的各项指标满足规范要求，设计人员验算轴向力作用下隔震支座的应力以及变形是否满足限值要求即可。
1.2 高阻尼橡胶隔震支座（HDR）
目前国内隔震设计普遍采用铅芯橡胶支座，在大变形阶段，铅芯易被挤压导致不易复位，而且铅对环境也有影响，因此，高阻尼橡胶支座将成为铅芯橡胶隔震支座的替代产品。目前高阻尼橡胶支座在日本已开始广泛使用，我国尚处于起步阶段。HDR（Ⅰ）型高阻尼橡胶隔震支座结构示意见图4。
图4 HDR（Ⅰ）型高阻尼橡胶隔震支座结构示意
2 滑动隔震支座
滑动隔震在隔震层中设置滑动材料，使基础向上部结构只能传递有限地震作用力，达到保护上部结构的效果。其动力学特点是滑动前整个系统的自振周期与结构周期相同，一旦滑动后，隔震层的刚度为零，整个系统的自振周期变成无穷大，因此滑动隔震能避开任何地震波产生的共振效应。此外，隔震层摩擦力做功能消耗结构的振动能量，增加结构阻尼，降低结构地震反应。比较成熟有滑板式隔震支座和摩擦摆隔震支座。
2.1 滑板式隔震支座
滑板式隔震支座见图5，滑移摩擦面一般采用聚四氟乙烯（PTFE，俗称特氟隆）与不锈钢板接触面、不锈钢板与不锈钢板接触面以及石墨、砂垫层接触面等。
图5 滑板式隔震支座
滑板式隔震支座属纯摩擦滑动隔震系统，缺点是隔震层变形较大，且不能自动复位，震后大的变形较难处理。有专家开发了能够自复位的滑板式隔震支座（图6）。
图6 自复位滑板式隔震支座
时程分析时，滑动隔震支座可采用库仑摩擦滞回曲线或双线性滞回曲线计算模型，见图7。
图7 滑动隔震支座计算模型
滑移隔震结构由于在支座处上下断开，极易产生倾覆失稳问题，若无附加抗倾覆措施，地震下的抗倾覆力矩只由自重提供。目前国内在建筑行业还没有滑板式隔震支座在建筑隔震中使用的规范和产品标准，因此在国内的应用受到一定限制。
2.2 摩擦摆隔震支座（FPS）
摩擦摆隔震装置（简称FPS）是一种具有自复位能力的摩擦隔震体系，其支座构造见图8。FPS摩擦摆隔震装置能够有效地延长上部结构的自振周期，减少地震作用对上部结构的影响，上部结构层间位移和加速度大大减少，具有良好的稳定性和限位复位功能，因此不仅可以预防结构的损坏，而且还能够保障结构物内设备及人员的安全，不失为一种有效的隔震消能装置。
图8 摩擦摆隔震装置示意
3 混合隔震
混合隔震又称为组合隔震或并联复合隔震，由橡胶支座和摩擦滑动支座组成，其中橡胶支座提供系统的弹性复位力。混合滑移隔震系统的自振周期有两个：滑动前为结构自振周期；滑动后则变为橡胶支座隔震结构周期。图9为日本某高层建筑隔震的隔震支座布置图，其中布置了橡胶隔震支座（圆形标志）和摩擦滑动隔震支座（方形标志）。
图9 日本某隔震建筑隔震支座布置图
混合隔震中滑动系数小时隔震效果好，橡胶隔震支座的竖向拉力最小。合理的摩擦承压比取值可以使混合隔震结构的地震反应比橡胶支座隔震结构小。
4 规范标准
2001版抗震规范规定了隔震结构的应用范围：1）规定应在8，9度抗震设防的地区使用；2）要求结构在非隔震条件下的基本周期小于1.0s。
这两个条件大大束缚了隔震建筑的应用。规范的本意是满足这两个条件，隔震结构设计能够较为经济。在低烈度区，结构设计往往按构造要求设计，隔震结构显示不出优越性。但是，由于这个规范条文是强制条文，给很多业主造成了误解。结构周期小于1s的规定主要是限于当时的技术条件，周期大于1s，隔震后结构的减震效率不高，尤其是高层建筑，当时的规范认为隔震效果不大。
2010版抗震规范对这两项作了重大修改。首先，规范明确隔震是一种有效减轻地震灾害的技术，适合任何地区使用，当一个地区发生超烈度地震时，隔震建筑往往能够有效起到抗倒塌的效果。其次，取消了不隔震时的结构基本周期小于1.0s的限制，对周期大于1.0s的建筑，采用一些先进的隔震方法，如混合隔震（采用橡胶隔震支座和滑动隔震支座），依然能够取得非常好的隔震效果。
基于人们对隔震建筑抗倾覆的担忧，对其高宽比作了限制，规定隔震建筑高宽比不宜大于4，此时能够基本保证多遇地震下隔震结构基础不出现拉应力。
5 典型工程
5.1 成都凯德风尚高层隔震建筑小区
成都凯德风尚项目（图10）总建筑面积为30万m2，抗震设防烈度7度，由26栋19~20层的高层剪力墙住宅组成。隔震设计将隔震层设置在地下室顶板以上，采用了近4000个
500~900的橡胶隔震支座，设置了抗拔装置（图11），提高结构大震下的抗倾覆能力；设计抗风装置，减少风载下建筑的位移。
图10 成都凯德风尚项目
图11 抗拔装置
图12为6#楼隔震层布置平面。设计中验算了7度罕遇地震作用下结构的安全和8度罕遇地震下的结构抗倾覆问题。计算分析表明，采用隔震措施可显著降低上部结构的地震作用，对建筑结构、房屋设施和人员提供全面的保护。
图12 成都凯德风尚6#楼隔震层平面
5.2 昆明机场航站楼
昆明新机场航站楼（图13）拟建场地位于昆明东北部浑水塘，属于高地震烈度区。航站楼主体结构采用基础隔震技术。整个隔震层共使用1800余个直径为1000mm的叠层橡胶支座,建成后,这座航站楼将成为目前世界上最大、最复杂的单体减隔震建筑。航站楼的主体结构南北长约324.0m,东西宽256.0m，其结构体系非常特殊，下部5层是钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，基本柱网12m×12m，12m×18m，而上部是一个由钢结构飘带支撑的大跨度钢结构双层网架，柱距约24m×26m。
图13 昆明新机场航站楼
隔震层布置具体如下：1）外围两圈布置
1 000的铅芯橡胶支座,共535个；内部为
1000的普通叠层橡胶支座，共1177个，叠层橡胶支座的布置示意图见图14（a）；2）沿结构南北和东西方向各布置54个黏滞阻尼器,即总共布置阻尼器108个,其阻尼系数为1500kN/（m/s），见图14（b）。
（a）隔震支座布置平面
（b）阻尼器布置平面
图14 昆明机场航站楼隔震层布置平面
计算与振动台试验表明，各层剪力比最大值均小于0.35，即水平向减震系数为0.5，因此可知其隔震效果可以满足降低一度的要求。
6 隔震加固
2010年中国建筑科学研究院与山西省建筑设计院在山西省忻州市首次采用隔震技术进行了中小学校舍的抗震加固，加固结构类型涉及砖混结构和钢筋混凝土框架结构，如图15所示，加固面积共计10万m2。
（a）砖混结构隔震计算模型
（b）框架结构隔震计算模型
图15 中小学校舍隔震加固计算模型
隔震层设置在建筑±0.00ｍ，如建筑有地下室，则设置在地下室顶，采用
350~500的叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座。隔震加固后建筑物达到中小学建筑乙类的要求。
隔震加固的关键是托换，即如何将已建成的建筑物放在隔震支座上。图16为砖混结构隔震加固做法，方法是先留部分墙体，进行隔震支座的施工，待隔震支震施工完成后，再将墙体切断，建筑自然落在隔震支座上。
图16 中小学校舍抗震加固中砖混结构隔震节点详图
图17为框架结构的节点施工图，方法是先进行支撑，再切断柱，施工隔震支座，完成后拆除支撑。隔震加固施工不影响上部建筑的使用，对学校正常的教学工作影响较小，加固施工周期较短。
图17 中小学校舍抗震加固施工中的框架结构节点
隔震技术是一项卓有成效的减震技术，历次地震中隔震建筑的表现良好。目前我国已有越来越多的公共建筑采用这项技术，更多的房地产开发商也开始关注并尝试采用这项技术，相信在未来隔震技术将获得更广泛的应用。
更多内容详见2014年1期《减震技术通讯》文章：《建筑结构隔震技术现状与应用》，作者：薛彦涛，单位：中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司。