大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 浅谈建筑结构隔震技术
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 土木工程
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2023年9月3日
内容摘要
随着建筑水平的不断提高，隔震技术的研究和应用取得了很大进展，建筑隔震技术在地震灾害管理、防灾减灾中发挥着重要作用，可以降低地震灾害的破坏作用。对建筑物，保护建筑物的人身生命财产安全。本文主要采用文献综述和案例分析相结合的方式，对建筑隔震技术的研究发展和应用现状进行简单介绍，总结出橡胶隔震支座、滑动隔震支座以及混合隔震的发展现状，并结合某框架厂房改扩建项目和某老年公寓商住一体楼两个实例，对建筑结构隔震技术的应用进行分析，总结目前取得的研究成果及存在的不足，并探讨高层建筑的隔震机构和隔震技术的研究发展方向。
关键词：建筑结构；隔震技术；隔震支座
目 录
1.2 国内外隔震技术的发展现状........................................................................... 5
2.1.1 天然橡胶隔震支座................................................................................. 7
2.1.2 铅芯橡胶隔震支座................................................................................. 8
2.1.3 高阻尼橡胶隔震支座............................................................................. 8
2.2.1 滑板式隔震支座..................................................................................... 9
2.2.2 摩擦摆隔震支座................................................................................... 10
3.1 工程实例一——某五层中学教学楼............................................................. 13
3.1.2 采用的隔震技术................................................................................... 13
3.2 工程实例二—— 某附属小学工程建筑隔震分析....................................... 15
3.2.2 采用的隔震技术................................................................................... 16
引 言
地震形成的主要原因是地壳内部的岩体发生错动，从而产生相对地面运动的现象。地震几乎每天都在发生，但由于大多数地震震级太小或者震源太远，所以人们往往无法察觉到地震的发生。我国地处世界两条大地震带之间，有研究表明80%以上的地震都发生在地球块体边界带处。20世纪以来，国内发生过2600多次地震，其中强烈地震主要分布在南北地震带和东西地震带。中国南北地震带北起宁夏贺兰山，南端至云南的东部，比如2008年四川汶川8.0级地震就发生在这条地震带上，位于我国的东西方向的地震带共分为两条[1]：从宁夏贺兰山至辽宁千山山脉；另一条东西方向的地震带则横贯国土，西起新疆帕米尔高原，东至安徽大别山。地震不仅给人类造成了生命和经济方面的损失，还给人类带来了精神上的重创，尤其步入21世纪，全球地震灾害频繁发生，因此寻找有效的防灾减灾方法势在必行。
地震具有突发性与毁灭性的特点，如何在现有的技术条件下，减轻地震对建筑结构安全性能的影响，建立可行的抗震理论和施工技术成为结构工程师们亟待解决的重要问题。大量的研究资料表明，构件的破坏大多数是由于地震持续晃动造成的。传统的设计理念还是停留在“抗”的层面，即：小震作用下依靠结构自身刚度消耗地震能量；大震作用下结构进入塑性阶段，通过塑性变形吸收能量。然而此时的构件不仅会产生变形裂缝，而且在循环往复的变形下会降低构件的承载力，发生疲劳破坏。如果残余变形过大，损伤后的构件将无法自动恢复，由此所造成的修复成本也将大大增加。
20世纪70年代初，美国学者Yao提出了土木工程结构控制概念，吸引了广大的研究学者，根据是否需要外部能量的输入情况，减震控制技术可以分为四种控制方法:即被动控制、主动控制、半主动控制以及混合控制[2]。其中结构的被动控制技术因为原理简单、易于实现和完成且不需要外部能量的输入，仅仅通过改变某个部位的子系统就可以达到结构减震的作用，并且造价成本低廉、性能十分稳定，因此被动控制技术被相关学者广泛的研究应用[3]。隔震技术就是属于被动控制的一种形式，从构造上来讲隔震的基本思想是将基础与上部结构分隔开，由布置在二者之间的隔震装置来消耗分散地震所产生的能量，从而达到预期的抗震要求。隔震装置的设置对建筑结构十分重要，因此隔震装置需要具有足够的竖向承载力、足够的位移变形储备以及自复位能力[4]。
本文主要是对建筑隔震技术进行研究，具体包括四部分的内容。第一部分建筑隔震技术概述，主要是对建筑隔震技术的发展、作用等问题进行论述。第二部分建筑结构中常用的隔震技术，主要介绍了橡胶隔震支座、滑动隔震支座以及混合隔震等相关应用。第三部分隔震技术的应用实例，主要是结合工程实例，对工程中隔震技术的具体应用进行论述。第四部分结论与展望，是对全文概括性的总结。
1 建筑隔震技术概述
传统的抗震设计是一种弹塑性设计，其抗震设防思想为“三水准（小震不坏，中震可修，大震不倒）、两阶段（弹性变形阶段，弹塑性变形阶段）”。为了能够达到这一设防目标，结构的各种组成构件就需具备足够的强度和塑性变形能力，靠结构自身来抵抗和消耗地震能量。当中震、小震作用在结构上时，结构能够凭借本身的变形来硬抗地震，但是遇上大震时，结构自身的变形能力不在能够很好地抵消地震带来的能量，再加上结构物的基础与地面相连接，地震能量很容易就能从底部传递到上部，使得地震加速度随着建筑结构层高的增加以倒三角的放大趋势逐渐增长。为了确保结构的安全稳定，就得加大构件的设计强度，随之而来的就是建筑物的质量增加，但地震作用力是一种惯性力，随着结构质量的增加而增加，这样做会使得地震作用力也增大，不能够有效的抵抗地震侵袭。因此寻求一种比传统抗震技术更高效的新方法——隔震技术成了众多学者研究的新方向。
1.1 隔震的原理
隔震就是隔离地震对上部结构的作用力，使整个结构的自振周期得以延长，即：将整个结构物或其局部坐落在隔震支座上或者起隔震作用的基础上，形成一道柔性隔震层，通过隔震层来吸收或耗散地震能量，从而减少和限制地震能量向上部结构的输入，最终达到减轻上部结构地震破坏的目的。这种隔震措施一方面可以满足整个隔震结构的抗震性能，另一方面也可以降低结构构件的损坏，保证结构内部装饰和贵重设备的完好。隔震结构示意图如图1.1。
图1.1 隔震结构各部分示意图
从结构动力学和地震工程学的基本原理出发可以看出，典型地震的卓越周期约为0.1s到1.0s，中低层结构在地震时的自振周期与卓越周期相近，易发生共振，从而造成破坏。隔震系统通过设置隔震层使得结构的刚度减小，自振周期得以延长，避开了地震的卓越周期，很大程度上避免了共振的发生，减小了结构的地震反应，达到了隔震的目的。从中不难发现，结构自振周期和结构阻尼特性对结构抗震起决定因素。低矮及中高层建筑物因其自身刚度大且周期小，地震动发生时一般位于结构加速度反应谱中数值较大的部位，说明结构受到较大的地震作用。然而由于结构自身的刚度大，导致其在位移反应谱中值较小。
图1.2 隔震结构计算模型图
按照图1.2所示，隔震装置功能分类有：
（1）功能分离型，橡胶隔震支座与阻尼器搭配使用，其中橡胶隔震支座主要是发挥①+②的功能，阻尼器发挥③的功能。
（2）功能一体型，铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座和摩擦摆支座，一个整体的支座能够发挥出①+②+③的功能。基底隔震是当下发展最好的隔震技术。原理为用隔震层将上部建筑和基础分隔，使得上部结构只发生平动，在很大程度上降低了构件因地震产生的变形量，降低了地震的破坏，保护了人们的生命安全。同时基础隔震建筑具有施工方便、价格低廉、安全有效的特点，因此受到广泛的应用。
1.2 国内外隔震技术的发展现状
与传统抗震的强度理论和延性理论设计不同，隔震理论设计属于结构控制方法，使用隔震装置来耗散地震释放的能量。河合浩藏在1890年最先提出在基础之上进行隔震设计的想法，他提出在基础的横向和纵向放置滚木，然后再浇筑混凝土基础，基础之上为建筑物，试图通过这种方法来达到隔震目的。1909年， Calantarients提出通过在基础之上放置滑石或云母层将基础和上部结构隔离也能够达到隔震的效果。这些隔离地震能量传输的想法便是隔震技术的萌芽，从此隔震技术的研究愈发的完善，愈发得到人们的重视[5]。较早利用这一思想的是东京的帝国大厦，该建筑所处场地有一层软土层，设计者通过在软土层上布置大量短桩，使得建筑物与上部持力层构成一个能够悬浮在软土层上的整体。在1923年东京发生地震时依然屹立不倒表现了很好的抗震性能。但类似的场地条件在实际工程中并不可能都有，于是人们开始了类似于减震的做法，即采用柔性底层进行减震，可是采用这种设计方法在地震来临时结构依然会发生较大的破坏，例如：美国旧金山在1971年遭受地震袭击后，使得当时按照柔性底层概念设计的Olive View医院的底层柱遭受了严重的破坏。从上述的案例中可以看出，单纯的采用柔性层或者传统抗震设计思路很难满足结构在强震时不发生破坏。对此Yao在1972年初次提炼出结构减隔震的思想，使隔震技术能够运用到工程实例中。1978年，美国学者阐述了橡胶支座隔离地震能量的方法和施工技术[6]。1969年南斯拉夫在遭受了一次地震灾害之后，负责灾后重建的设计人员对斯克比小学首次使用了天然橡胶支座进行隔震设计，自此首栋隔震建筑问世，但不足的是所用的支座竖向承载能力较小且横向变形较大。对此Delfosse提出在橡胶支座中增设薄钢板来约束橡胶的横向变形和提高竖向承载力，上述问题才得以解决。1979年，马赛附近的一所小学用152个直径300mm的橡胶垫，建造了一栋三层的混凝土小学，但是采用的橡胶垫依然没有很好的耗能能力。在法国一座核电站的建造过程中为了解决这一问题，将橡胶垫和滑板支撑相组合形成了一种新的隔震装置。之后新西兰的学者Robinson研发出了在橡胶垫中插入铅棒的新型隔震垫——铅芯橡胶支座（Lead-Rubber Bearing， 简称LRB），用来弥补橡胶垫阻尼小的劣势。新西兰的Wellington William Clayton大楼在1983年新建时，所采用的隔震装置就为LRB支座（LRB铅芯隔震橡胶支座）[7]。此后带有阻尼器功能的隔震橡胶支座渐渐成形，得到了越来越多的应用。
在我国最先提出隔震思想和倡导发展隔震建筑研究的是李立群学者，并将其运用到了实际工程中，采用砂和砾石的混合物进行隔震的方法修建了一栋砖砌体和砖混隔震建筑，这便是中国隔震建筑修建的萌芽。周福霖教授等人建造了我国第一栋采用隔震装置的8层框架结构综合楼。该综合楼在经历台湾海峡大地震后依然安全稳固，体现了隔震建筑的安全性。在这之后，周锡元教授主持修建了多栋采用高阻尼隔震橡胶支座的6层隔震建筑[8]。至今，隔震建筑凭借着良好的抗震性能，得到了大力的支持和推行，被运用到住宅、综合楼、政府大楼、机场、医院和学校等。
2 建筑结构中常用的隔震技术
隔震系统的基本性能包括：竖向支承性能、变形性能、复位性能、阻尼耗能性能、耐久性等。竖向支承性能指隔震支座必须要长期承受上部建筑的重量，其功能等同于结构的柱；水平变形特性指隔震支座的水平向刚度小而具有一定的水平位移能力；复位性能指的是隔震支座需有产生较大水平位移的同时也要有能保证结构复原到原位的刚度；阻尼耗能性能指橡胶支座需要有足够的耗能特性，才能减小或消耗地震能量的传输；耐久性是因为隔震支座在使用过程中需要长久的承载上部结构，且暴露在外界环境中，会因为气候变化引起性能劣化等问题，因此需要满足耐久性能才能够满足结构正常使用的要求。
2.1 橡胶隔震支座
2.1.1 天然橡胶隔震支座
天然橡胶隔震支座（Linear Natural Rubber Bearing，LNR）是由薄胶层和薄钢板分层交替叠合硫化而成。橡胶层与钢材的紧密结合保证了支座在竖向受压时橡胶层的横向变形能够被钢板限制，使支座具有较高的竖向受压承载力。当支座受到剪切变形时，内部的钢板不能够限制胶层的水平作用，橡胶层得以在水平方向提供较大的水平变形，但是这种支座柔度大，阻尼小，一般不单独使用，与阻尼器共同使用，具体如图2.1所示。
图2.1 天然橡胶隔震支座
2.1.2 铅芯橡胶隔震支座
铅芯橡胶隔震支座（Lead Rubber Bearing，LRB）。这种支座是在天然橡胶隔震支座的基础上插入不同直径的铅芯而制成。因为铅芯在水平方向刚度底，垂直方向的刚度高，使得支座具有了阻尼特性。铅芯自身屈服应力低且具有再结晶能力，能够将输入的地震能量转化为热能的同时也使支座有了很好的复位能力。这样即使不和阻尼器共同使用，铅芯橡胶隔震支座也可以单独使用，具体如图2.2所示。
图2.2 铅芯橡胶隔震支座
2.1.3 高阻尼橡胶隔震支座
高阻尼橡胶隔震支座（High Damping Rubber Bearing，简称HDR）。这种支座与天然橡胶隔震支座的不同之处在于，其橡胶材料是经过特殊调配的高阻尼橡胶材料，即在天然橡胶和合成橡胶的橡胶聚合物中加入硫化剂、补强剂、填充剂和碳等配成高阻尼的橡胶[7]。高阻尼隔震橡胶支座不仅具备较好的水平性能和竖向性能，还具备较好的阻尼特性。既可以发挥支座的作用又可以发挥阻尼器的作用，可在隔震实际工程中单独使用，具体如图2.3所示。
图2.3 高阻尼橡胶隔震支座
2.2 滑动隔震支座
滑动隔震支座主要由上下两支座板、滑块以及低摩擦材料组成滑动隔震支座最早由美国加州大学的Zayas等人提出并由美国地震保护体系福卡斯特公司研制而成。至今，已有30多年的发展历史。其主要依靠摩擦耗能、延长下部结构自震周期，进而依靠上部结构自重达到复位。
2.2.1 滑板式隔震支座
弹性滑板式隔震支座可以按照标准化的要求来进行生产，不仅可以在滑移层进行使用，同时还可以与橡胶隔震组合进行使用。通常情况下弹性滑板包含四个主要的部分，分别是橡胶体、不锈钢板滑动面、位移箱和聚四氟乙烯板。聚四氟乙烯板有些与橡胶体融合在了一起，同时在与底部的不锈钢板发生滑动时具有很低的摩擦系数，动摩擦系数几乎没有变化。它不仅具有很强的承载能力，同时具有良好的化学稳定性，在建筑隔震中具有广泛的应用。在弹性滑板中也使用了相交体，主要的作用是提供支座的水平和竖向的承载能力。如果水平力足够大的情况下，静摩擦力在被克服会后，就可以在不锈钢板上进行滑动。
图2.4 弹性滑板式隔震支座
2.2.2 摩擦摆隔震支座
以往的摩擦摆隔震支座的滑动面并不是很多，只有一个，在滑动面上和下都有一个支座，下面支座的作用是用于层间隔震，上面的支座的作用是基础隔震。在隔震装置当中，滑动面和滑块之间的半径相同，所以两者是面接触的关系，滑块在滑动的过程中始终保持着同滑动面接触的关系，并且在运动的过程中始终保持着水平的状态，滑动面使用的是不锈钢做的弧形面，滑块在弧形面进行滑动的过程中，可以得到回复力，这样建筑物的上部结构在自重的作用下就可以回复到初始的位置。
近期新研发的一种摩擦摆隔震方式，在该种隔震当中使用最多的是干摩擦滑移装置，具有很高的竖向承载力，应用最为广泛的领域是桥梁建设。摩擦摆隔震支座主要由三个部分组成，分别是滑块、滑动面和密封圈，为了降低摩擦在滑道撒使用了降低摩擦的材料，并且保障了滑道和滑块的曲率半径一直。如果地震产生力的大小要大于静摩擦力，则滑块将开始滑动。在控制摩擦摆隔震系统的周期和刚度时可以选择一个合适的曲率半径，动摩擦系数负责控制阻尼运动。为此国外有学进行了大量的实验，通过实验发现摩擦摆隔震支座可以使用时间更久，耐力更强。
图2.5 摩擦摆隔震支座
2.3 混合隔震
混合隔震体系是一种将多种隔震装置组合在一起进行使用的隔震方式，在工程施工的过程中，经常是组合使用叠层橡胶支座和滑动摩擦支座，这种隔震体系是一种新的体系，在组合方式上多种多样，经常采用的组合方式有两种：采取并联的方式组合叠层橡胶支座和滑动摩擦支座，在这种组合当中橡胶隔震支座的主要作用是增加系统的向心力，可以发挥两种隔震体系的优势，解决滑动摩擦各职能体系在工作之后无法复位的问题，是目前使用的最为常见的隔震方式，在国内外得到了广泛的应用。
图2.6 混合隔震支座构造图
（1）串联组合隔震体系：这种隔震体系是采取串联的方式将橡胶支座和滑动摩擦支座串联在一起，其中橡胶支座的主要作用是提供恢复力，滑动摩擦支座的主要作用是吸收地震产生的能量，两个支座之前的连接方式有许多种，根据连接方式的不同可以分为分层式和一体式。
（2）并联组合隔震体系：采用并联的方式将橡胶支座和滑动摩擦支座连接在一起。通过并联的方式进行连接可以更好的产生复位作用，增加滑动摩擦支座的工作性能，使得滑动摩擦支座的的生产变得更加便宜，所以这种组合模式是非常经济的，本文主要将对这种隔震体系的力学性能进行分析。
如果在隔震层只使用了摩擦支座，则在地震和风载的影响下上部结构会产生往返运动，且最终无法恢复，为了解决存在的问题，需要在隔震层当中安装一个复位装置，增大支座的阻尼作用，通过复位装置来提供复位能力。可以将铅芯支座和滑动摩擦支座组合在一起进行使用，这样隔震层将发挥更大的作用，并且能够发挥出更多大的复位能力，采用结合的方式可以更好的发挥隔震作用。
