周亦玲

西安建筑科技大學(xué) 710055 西安

 

    近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑，大型橋梁及海洋平臺等重大工程的大量興建，對基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用與研究已經(jīng)取得了比較大的成果。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)納入我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）中，對一些基礎(chǔ)隔震設(shè)計時的具體細(xì)節(jié)有了更加詳盡的要求。并且已有許多工程實例引入了基礎(chǔ)隔震的技術(shù)。隨著這些大型工程的建設(shè)及交付使用，隔震技術(shù)也隨著實踐趨于完善。在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的理論和工程實踐的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了一種新型的隔震結(jié)構(gòu)形式，即層間隔震技術(shù)。層間隔震結(jié)構(gòu)的不僅擴(kuò)大了了隔震技術(shù)的

 

    使用范圍，而且對此技術(shù)也產(chǎn)生了許多新的研究課題。

    不同于基礎(chǔ)隔震，層間隔震中隔震層的的設(shè)置可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的自身特點來靈活布置，隔震層通常安放在建筑結(jié)構(gòu)某層樓板和柱子之間進(jìn)行地震反應(yīng)控制，這種布置方式不僅便于滿足建筑房屋使用的要求，也為隔震技術(shù)開辟了新的應(yīng)用天地。

 

    依據(jù)結(jié)構(gòu)自身的特點，可把層間隔震減震體系分為下面幾種形式：

    1.隔震層的位置設(shè)置在結(jié)構(gòu)豎向剛度有突變的部位（圖1-a）

    2.隔震層的位置設(shè)置在結(jié)構(gòu)形式有變化的部位（圖1-b）

    3.隔震層的位置設(shè)置在結(jié)構(gòu)的一層頂（圖1-c）、

    4.隔震層的位置設(shè)置在結(jié)構(gòu)的中間層（圖1-d）

    5.隔震層的位置設(shè)置在結(jié)構(gòu)的頂層（圖1-e）

   

    整體結(jié)構(gòu)由于在中間設(shè)置了隔震裝置，所以可分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分。這種層間隔震體系的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的層數(shù)不受限制，可以一層，也可以多層。隔震層裝置的隔震支座多采用疊層橡膠。

 

    隔震層位置較低時，結(jié)構(gòu)設(shè)計可以通過降低隔震層剛度來減小其的自振頻率，這樣就增加了結(jié)構(gòu)的整體自振周期，使其遠(yuǎn)離地震震動的周期，進(jìn)而降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。隔震層可以集中大多數(shù)的地震能，并且依靠隔震裝置來進(jìn)行散耗。并使地震時的變形主要集中在隔震層上。

    隔震層位置較高時，整體結(jié)構(gòu)的周期沒有得到太大延長，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時既要考慮降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，又要考慮通過調(diào)整減震裝置的剛度改變上部結(jié)構(gòu)的自振頻率，這樣，結(jié)構(gòu)的自振頻率和主結(jié)構(gòu)的激振頻率或基本頻率就比較靠近，這時為把結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)控制在可接受范圍內(nèi)，可采用調(diào)諧吸振的方式。

 

    與基礎(chǔ)隔震類似，隔震層的上部結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時主要進(jìn)行水平平動，如果部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)不要求控制，且其剛度無窮大時，層間隔震體系就轉(zhuǎn)化為初始的基礎(chǔ)隔震體系。由于上部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于下部結(jié)構(gòu)的調(diào)諧質(zhì)量塊，因此上部結(jié)構(gòu)的存在，可以控制下部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)不要求控制且為單自由度體系時，層間隔震體系則轉(zhuǎn)化成為被動TMD體系（調(diào)諧質(zhì)量阻尼振動控制系統(tǒng)）。

 

    對于層間隔震減震結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)都是結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮到的控制目標(biāo)，無論是對上部結(jié)構(gòu)還是下部結(jié)構(gòu)，都要減小其地震反應(yīng)。

 

    層間隔震減震效果一般可以達(dá)到在10%-40％的水平，，而且層間隔震體系可以采用原結(jié)構(gòu)隔熱層或者結(jié)構(gòu)加層做隔震層達(dá)到減震目的，在工程中更加簡單且容易實現(xiàn)，只需要少量投資卻能產(chǎn)生很大的抗震效果，因此舊房加層和抗震加固多采用此技術(shù)。

 

    與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)相比，層間隔震結(jié)構(gòu)具有以下五個方面的優(yōu)點：

    1.適用范圍比較廣泛；因條件限制不能采用基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)和已有樓房的增層或改造加固。例如近海區(qū)或可能遭受洪澇災(zāi)害的地區(qū)，由于橡膠隔震支座易被腐蝕，假如采用基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)時只能將隔震層位置設(shè)置的更高。還有，在舊樓頂部加層時，新舊樓層間設(shè)置隔震層，可使原樓房的加速度反應(yīng)降低30%左右。

 

    2．層間隔震結(jié)構(gòu)不僅不必設(shè)置相對應(yīng)與預(yù)留空間構(gòu)造措施，而且也不需要為隔震層預(yù)留較大空間以應(yīng)對地震時發(fā)生時的較大位移；我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）有明確規(guī)定：建筑上部結(jié)構(gòu)的周邊應(yīng)安置豎向隔離縫，且縫寬應(yīng)該大于各隔震支座在少遇地震下的最大水平位移值的 1.2 倍且不小于200mm。對兩相鄰隔震結(jié)構(gòu)，其縫寬取最大水平位移值之和，且不小于400mm。于上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一水平隔離縫，且該隔離縫應(yīng)該貫通，并填充柔性材料；萬一無法設(shè)置隔離縫確，則可以用的水平滑移墊層來代替它。穿過隔震層的電梯、走廊、樓梯這些部位，需要防止別發(fā)生碰撞。由于層間隔震的隔震層一般設(shè)于一層或以上柱頂，因此結(jié)構(gòu)即使發(fā)生較大變形也是發(fā)生在空中。因此，不存在預(yù)留空間或者相應(yīng)的構(gòu)造方面的問題。

 

    3．降低土建造價；層間隔震與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)不同，不需要在隔震層頂部增設(shè)一層梁板承載力和剛度須大于一般樓面的且厚度不小于 140mm 的梁板式樓蓋，而是按照隔震的目的對結(jié)構(gòu)原樓蓋進(jìn)行設(shè)計就行。因此，相對于基礎(chǔ)隔震，層間隔震結(jié)構(gòu)不僅減少隔震支座的設(shè)計費用，而且還省下了一層樓板的費用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

 

    4．層間隔震能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗傾覆的能力；考慮到隔震支座的抗拉性不好，且為了保證在地震時隔震結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，拉應(yīng)力不可以出現(xiàn)在隔震支座上。對于層間隔震結(jié)構(gòu)，為提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能，使隔震層位置設(shè)置在較高位置，降低了上部結(jié)構(gòu)的高寬比，同時使得結(jié)構(gòu)的傾覆力矩與抗傾覆力矩的比值減小。

 

    5．施工方便。

    由于層間隔震的水暖管道等可以安放在地面上部，因此對其施工、維修和更換起來都很方便。相對于基礎(chǔ)隔震，對舊房進(jìn)行抗震加固時，在原有結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)置隔震層會使施工過程方便很多。

 

    另外，與被動TMD系統(tǒng)的相比，層間隔震結(jié)構(gòu)用橡膠支座代替了彈簧阻尼器，結(jié)構(gòu)本身的樓板或隔熱層代替了附加的質(zhì)量塊。并且在實際工程中，TMD系統(tǒng)存在以下不足之處：首先，需要一相當(dāng)大的質(zhì)量塊和一定的空間來安裝TMD系統(tǒng)；其次，TMD系統(tǒng)需要留出足夠的空間，用以預(yù)防質(zhì)量塊的大位移移動；最后，為確保質(zhì)量塊的可以自由移動，TMD系統(tǒng)必須安置在比較光滑的的位置，盡可能的減小其運動時的摩擦力。為避免以上不足，沈俊華,高強(qiáng)華等采用基礎(chǔ)隔震中的阻尼器和疊層橡膠支座來替代TMD系統(tǒng)中的彈簧阻尼器，并且用結(jié)構(gòu)自身的屋頂作為TMD的質(zhì)量塊。由于此方案不用提供額外質(zhì)量，且不用占用屋頂空間，因此也就用不著提供額外空間。此外，由于疊層橡膠支座所具有的性質(zhì)也利于方案的順利實施。因此，該方案同時具有造價便宜和易于在工程中的應(yīng)用等優(yōu)點。

 

    由于層間隔震技術(shù)的以上優(yōu)點，所以以下幾種工程多用層間隔震技術(shù)進(jìn)行減震控制：

    1.近海建筑：可以通過將隔震層提高到層間的方式來防止橡膠隔震支座被海水腐蝕。

    2.舊結(jié)構(gòu)加層：舊有結(jié)構(gòu)在加層后仍要滿足規(guī)范所要求的抗震性能，可以通過在新舊結(jié)構(gòu)之間加入隔震層來達(dá)到減震效果，也順便增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。

    3. 加固舊結(jié)構(gòu)抗震：對文物建筑等年代較久卻很具紀(jì)念意義的建筑，采取一定措施增加其抗震減震性能是急需解決的問題，這時，把隔震層設(shè)置在屋面下部既可以提高建筑的抗震能力又可以最大程度的保證建筑物原貌。

    4.特殊結(jié)構(gòu)建筑：對于底部框架上部砌體，及上部塔樓結(jié)構(gòu)等混合結(jié)構(gòu)，由于層間剛度存在突變，在地震作用下層間很易發(fā)生破壞，此時，選擇層間隔震的方法，可以有效的解決此類問題。

 

    近一二十年來，對基礎(chǔ)隔震技術(shù)有了一定的研究，但是在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來的層間隔震技術(shù)的研究尚處于起始階段，對層間隔震應(yīng)用技術(shù)，日本研究較多，而我國大部分的相關(guān)研究則是基于某特定結(jié)構(gòu)所開展的振動臺試驗和與之相對的動力分析，還沒有最終得出系統(tǒng)的理論研究成果。所見文獻(xiàn)也僅限于日本和我國。以下簡單介紹一些層間隔震的工程實例以及相應(yīng)的研究成果。

 

    日本湯河研修所，始建于1964年，共16層，高度49m，總建筑面積為15658m²，其上部有8層，主館沿山而建，基礎(chǔ)傾斜。大成建設(shè)橫濱支店于1996年8月，以層間隔震的方式對本建筑進(jìn)行了改造加固。在原先8層上22根柱地方改為了疊層橡膠隔震支座。經(jīng)過加固后，基地剪力降到原來的10%~20%，抗震能力顯著提高。

 

    福建省吉源花園小區(qū)新建的采用了隔震層技術(shù)的建筑，其隔震層設(shè)在一層柱頂，對其進(jìn)行振動試驗。試驗表明，設(shè)計的層間隔震層大大的減輕了地震反應(yīng)作用。試驗結(jié)果顯示在頂部出現(xiàn)了鞭梢效應(yīng)，這是因為結(jié)構(gòu)頂層的剛度較小。

 

    由諸多實例可知，改變隔震層位置的方式致使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了動力反應(yīng)方面的新特點：（1）隔振層上下結(jié)構(gòu)明顯不同的的減震效果。（2）層間隔震結(jié)構(gòu)一般由包含第一振型和另一個是較高的振型的兩種振型一起起控制作用。（3）加入層間隔震的結(jié)構(gòu)仍然可能出現(xiàn)鞭梢效應(yīng)。

 

[1] R. I. Skinner, W. H. Robinson, G. H. Mcverry著.工程隔震概論.謝禮立，周雍年，趙興權(quán)等譯.地震出版社，1996.

[2] 矢島秋彥,中田宜男,等. 中間階免震の施工とその注意點[J]. 施工,1998, 390: 72-77.

[3] 趙昕,李杰. 層間隔震結(jié)構(gòu)隔震墊的有限元模擬[J ] . 建筑結(jié)構(gòu),2001 ,31(11) :66～68.

 

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)