隔震减震控制技术在建筑结构设计和施工中的应用

吴 彬 胡伟华 阚正武

(1.湖北工业职业技术学院，湖北十堰 442000；2.十堰城控建筑设计有限公司，湖北十堰 442000)

0 引言

我国建设的隔震建筑最早出现于1993年，即汕头陵海路八层框架结构商住建筑物，并在1994年被称为“世界建筑隔震技术发展第三个里程碑”。随着隔震减震控制技术的发展，现如今广东、云南、四川等多座城市均已建成至少3000栋隔震建筑物，依托预防切割与控制摆动一体化设计理念，在建筑结构设计环节具有显著优势，理应扩大技术推广范围。本文立足隔震减震控制技术原理，分析隔震减震控制技术在建筑结构设计中的应用。

1 隔震减震控制技术应用原理

建筑结构设计中应用隔震减震控制技术，实则是从层间隔震与消能减震两个层面削弱地震灾害对建筑结构的危害，且建筑结构多通过结构动力特性分析抗震性，参照下列公式以结构自振周期（T）总结建筑物受力特征，其结构自振周期与基底水平剪力变化规律见图1。

图1 技术原理图（结构自振周期-基底水平剪力）

式中:

m——建筑结构质量；

k——刚度系数，且刚度系数越小，自振周期越大。建筑结构设计阶段可结合最大自振周期制定设计方案。

在设计人员具体设计建筑结构时，还可以依据动力方程式厘清地震响应抵御思路。包括在建筑结构上安装隔震支座或耗能支座等设施，便于改善动力响应，调节振动特性，产生隔震减震目的[1]。

式中：

M、C、K——分别指建筑结构质量、阻尼、刚度；

F（t）——建筑结构被施加的外作用力。

建筑结构设计中可利用质量、刚度、阻尼、外作用力控制方式消除地震响应，这样方能保证建筑结构在地震影响下保持稳定状态。

2 隔震减震控制技术在建筑结构设计和施工中的应用

2.1 优选隔震减震材料

在建筑结构设计中应用隔震减震控制技术，要求施工人员在设计人员出具的设计方案指引下，充分使用隔震减震材料搭设建筑结构，这样方能强化建筑结构抗震性。比如施工人员可以选用沥青填充材料进行隔震层施工，此种带有隔震减震功效的施工材料，是彰显隔震减震控制技术实践价值的重要依据。

除了沥青材料外，还可应用减隔震隔音泡沫板，作为高密度发泡材料，能够在建筑结构中实现长达30年的持久性作用，并具有易于施工、裁剪等优势。常见尺寸为200m×1.52m×3.5mm 和100m×1.55m×5mm，具体可根据建筑结构墙体等实际面积确定材料用量。与传统砂砾、混凝土基面等设计方式比较，该材料可铺设于水泥浆下方，用宽度50mm左右的胶纸予以密封，同时严控该材料使用厚度，多具有5mm左右厚度。若施工范围高于6m2，理应依靠混凝土配筋垫层改善材料隔震减震性能。经过对新材料的应用，可强化建筑结构隔震减震控制效果。

2.2 安设隔震减震设施

隔震减震技术在我国建筑结构设计中广泛应用，尤其自汶川地震以来，应用更为普遍。在2021年全面颁布“建设工程抗震管理条例”后，促使对该技术的关注度日益提高，并在设防类建筑结构设计中进行必要性应用。而在优选相关材料后，还可以安设隔震减震设施。其中最普遍的包括隔震支座和阻尼器。如摩擦摆隔震支座，尤其气温在零下25℃的寒冷地带，通过该设施可保证建筑结构遭受地震侵袭后鲜有出现结构破损现象，且该设施无需承受结构拉力，能在提离后持续表现隔震减震效能。

另外，也可使用铅芯橡胶支座。如万科徐泾地铁项目中，专门结合工况选用该设施，并秉承着大直径减少安设数量的形式，实现均匀分布，并且安装后建筑结构的抗倾覆能力得以提升。此外，还可应用碟簧联合单摩擦摆三维隔震装置，其原理是叠合碟簧层间使用玻璃纤维降低层间摩擦力。安装此设施后建成的混凝土结构，其最大竖向加速度可降低50%，钢结构中最大竖向加速度可降低35%，从而改善结构性能[2]，在市政交通轨道建筑项目中得到应用。

阻尼器可从粘滞性、粘弹性两种不同类型阻尼器中择优而选。前者是由阻尼孔、活塞、导杆等结构组成的流体阻尼器。后者是在钢板层之间掺杂弹性层，建立带有抗震能量消除功能的阻尼器。经隔震减震设施的有效应用，可提升抗震设计有效性。

2.3 推行框架悬挂设计

建筑物层间结构会因力的传递而出现损坏现象。若能在建筑结构设计中采用框架悬挂设计技术，即可体现隔震减震效果。框架悬挂设计指的是针对建筑结构实施悬挂操作，将其在框架悬挂状态下，降低力的相互作用，避免在地震冲击下引起框架结构相互挤压，从某种程度上可以延缓建筑结构损伤速度。通常在钢结构设计环节适用性较强，可将建筑结构划分为主框架、子框架两个部分，以悬挂设计方式维护框架结构相互关系。在发生地震灾害时，主框架会在地震波刺激下产生剧烈摇晃情况，在悬挂链条的助力下，因框架之间并未直接相邻搭设，故此可避免子框架被主框架影响而晃动，进而达到维护子框架安全的目的。因此，对建筑结构推行框架悬挂设计，是目前隔震减震控制技术重要的应用途径，应依据建筑结构设计条件确定适合的隔震减震控制技术应用方向[3]。

3 建筑结构设计中隔震减震控制技术应用优化手段

3.1 仿真设计细化设计方案

建筑结构设计中应用隔震减震控制技术，可以采用仿真设计方法细化设计方案，以便取得满意的建筑结构设计效果。首先，设计人员使用有限元分析软件建立建筑结构仿真模型；其次，根据设计方案细节模拟结构分布关系，包括在三维空间中以法线、标高、平行线作为建模依据，并判断在不同设计方案下建筑结构恢复力（f）；最后，结合上述研究内容，多以阻尼器、隔震支座作为优选隔震减震装置，并出具完善的建筑结构设计方案。仿真设计方法的应用可以有效分析每一种方案的可行性。参照上述公式（1）统计自振周期，不同建筑结构设计方案自振周期变化情况见表1所示。其仿真模型中恢复力同弹性刚度（k）、屈服应力（σy）的相关性。

表1 不同建筑结构设计方案自振周期变化情况

式中：

d——变形量；

r——屈服后刚度与弹性刚度比值；

e——相关指数（≥1），当e增加时，证明建筑结构屈服比较大。

在具体设计阶段可以通过安装阻尼器或设置隔震支座的形式分别编制设计方案，也可同时使用两种隔震减震设施。且方案一（隔震支座）中对应的自振周期数据偏大，源于建筑结构刚度降低，利用隔震支座将改善结构刚度。而方案二（软钢阻尼器）使用的隔震减震设置，能引起自振周期先大后小，最终提高建筑结构刚度水平。若能进行设施联用制定方案三（混合双控结构），产生的自振周期将处于两者范围内，能分别汲取各自优势，提高整体建筑结构的抗震设计等级，而且也能对结构薄弱之处予以有效防护。因此，以仿真设计方法出具设计方案具有一定的适用性。

此外，在对比设计方案优势时，还可以根据剪力系数（af）、屈服力系数（as）分别评估应用隔震支座与阻尼器后建筑结构受力规律[4]。

式中：

fQmax——隔震支座最大剪力；

sQy——阻尼器阻尼屈服力；

G——质量。

以某8度设防烈度的大型商用建筑工程为例，其底盘处设置多塔隔震结构。具体参照仿真设计模型分析刚度变化规律，并依据屈服力等指标确定隔震支座数量，以铅芯阻尼支座、隔震支座为主，保证此工程建设的结构符合抗震设计标准。不同建筑结构设计方案自振周期变化情况见表1。

3.2 合理设计技术参数

在建筑结构设计中关于隔震减震控制技术的有效应用，应合理设计技术参数，并保证所搭配的阻尼器等隔震减震设施数量符合工况要求。比如在某工程中使用黏滞阻尼器，其阻尼指数应为0.2，阻尼系数应为500kN/s/m，最大阻尼力应控制在350kN左右，容许位移量设计值应为±30mm。只有合理控制相关参数，才能体现出技术优势。而且还需结合各地区地震发生频率，即属于罕遇地震地带还是多震地带。之后还需从层间剪力、位移角等方面衡量设计方案的可行性。即多震地带内建设建筑物，可妥善安装黏滞阻尼器，利用该设施增强层间剪力，保证建筑物建成后能多次在地震灾害中起到隔震减震效果。至于位移角参数，在比较不同方向建筑结构应用与未用隔震减震控制技术时，显然应用该技术对应的层间位移角更小，表明使用阻尼器后能应对层间位移风险。尤其在多震地带建筑物频繁遭受地震危害，若出现较大的层间位移角，将直接缩短建筑结构使用年限。所以，经过布设相关设施后形成的建筑结构，若能保持较小的层间位移角以及较大层间剪力，即可提高减震率，因此，应加强对隔震减震建筑结构关联参数的优化设计[5]。

3.3 创新建筑消能装置

要想增强建筑结构隔震减震性能，应积极创新消能装置，使建筑结构在消能装置的辅助下对结构本身产生保护效果。此处提及的消能装置多指上文提及的阻尼器等。相关人员需要不断依据工况减震需求研发全新的消能装置，便于为设计单位提供新的隔震减震设施选择。

如昆明机场在早期建设期间，应用新型橡胶隔震支座，以安装更换方式，联合监测系统密切关注隔震支座安装后结构隔震层性能变化情况，防止因缺少有效监测，造成建筑结构中应用的隔震减震设施难以发挥显著作用。目前，研发的隔震橡胶支座新品已逐渐得到了大范围应用。此种隔震支座是使用橡胶、钢板材料组合而成，外部存在保护胶，相比传统橡胶隔震支座，新品自振周期较大且上部结构对地震的反应力仅为抗震结构的25%，可充分应对地震危害。同时，还有Ⅱ型隔震橡胶支座，如LRB400橡胶支座，总高度165m，有效直径400mm，屈服前后刚度为8.79kN/mm、0.68kN/mm，屈服力为27kN。经过新消能装置的创新设计，有望提升设计水准。

4 结束语

综上所述，隔震减震控制技术在建筑结构设计中属于重要的抗震设计技术，此技术的有效应用，有利于改善建筑结构抗震性与稳定性。众多实践证明，从优选隔震减震材料、安设隔震减震设施、框架悬挂设计等方面着手，并采用仿真设计、技术参数设计、消能装置创新设计等优化技术，保证在良好的隔震减震设计条件下，成功建设具有强效隔震减震性能的优质建筑物。