基础隔震技术在建筑结构中的应用探讨

・３６・　第３７卷第９期　２　０　１　１年３月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．９　Ｍａｒ．　２０１１　文章编号：１００９—６８２５（２０１　１）０９—００３６—０２　基础隔震技术在建筑结构中的应用探讨　刘昱彤　摘要：简要说明了基础隔震技术的基本概念及原理，并对基础隔震技术在建筑结构中应用时面临的若干关键问题进行　了探讨，同时，对中国、美国和日本抗震规范中基础隔震的设计思想等进行了比较分析，以指导实践。　关键词：基础隔震，抗震规范，设计思想　中图分类号：ＴＵ３５２．１２　文献标识码：Ａ　０　引言　部分能量传到上部结构，明显衰减结构的地震反应，地震发生时　从而保证建筑物　基础隔震技术作为一种有效的被动控制技术，以其优良的减　建筑物只产生较轻微运动，结构处于弹性阶段，内人员、设备的安全。　震效果及经济适用性得到工程界的普遍认可，并已在国内外建筑　结构中广泛应用；与此同时，基础隔震技术在建筑结构中应用时　也面临着一些关键问题，如隔震装置的力学性能、隔震装置的耐　久性、隔震结构的动力分析方法及隔震结构设计合理选择输入地　震动等，本文将就上述一些问题进行探讨，同时，通过比较各国规　口　ｊ　毒　范中隔震设计方法及设计思想等的差异，为我国基础隔震的应用　和发展提供有益的建议。　０　Ｔｏ　７　０　ｏ　Ｔ２　周期　周期　１　基础隔震技术的概念及原理　１．１基础隔震的基本概念　基础隔震体系是指在结构物底部与基础顶面之间合理设置　图１加速度反应谱　图２位移反应谱　１．２基础隔震的基本原理　基础隔震原理可以用单自由度弹性体系的地震反应谱来说　某种隔震装置来达到建筑物与地震隔离的目的。它包括上部结　明。图Ｉ，图２为建筑结构加速度反应谱和位移反应谱示意图，一　构、隔震装置和下部结构基础三部分。通过调整或改变结构的动　般低层和中高层的钢筋混凝土建筑物刚性大，周期短，在地震作　力性能，由隔震层的隔震装置吸收并消耗主要地震能量后，仅有少　用下，加速度反应大，位移反应小，即为图中Ａ点。延长建筑物周　结构建造技术和材料，形成自己的知识产权。应注重开发人工林　始逐渐复苏，这是建筑业的一件大事，我们必须抓住机遇，找准切　认真贯彻执行发布的规范，逐步全面推进。同时，还要积极　木材、竹材等用于建筑行业，尽可能降低建造的成本，这样有利于　入点，木结构住宅的推广。　参与国家速生丰产用材林建设工程，相应发展新兴木质工程复合　４．５促进木结构建筑发展形成产业链　材，加强科研，扩大其在木结构建筑中的应用，不断提高设计、施　在加强管理和走木结构材料国产化的同时，要积极推进高新　工水平，开创有中国特色的木结构建筑体系，造福人民，再现我国　　技术的应用，大力发展木质复合结构材料，形成产业链。要使木　木结构建筑的辉煌。　结构建造形成一条成熟的产业链，必须从房屋的设计、施工、销售　参考文献：　曹伟．建筑材料的可持续发展及其实例分析［Ｊ］．中外建　到维护，从设计软件、新施工工具和工艺、新建筑材料和设备到与　［１］木结构建筑相关的各种设施的研究开发和生产销售，达到相当的　筑，２００１（２）：２５－２７．　　朱光前．木材供需分析及预测［Ｚ］．北京：中国木业研讨会，２００１．　产业化水准。产业化的实现，需要政府的引导，更有赖于行业协　［２］［３］　范宏，陈成意．木结构房屋的发展状况及问题［Ｊ］．青岛建　会的指导和协调。　５结语　随着瑞典、加拿大等国木材业对中国市场的开发力度加大，　筑工程学院学报，２００４（５）：２９－３２．　［４］　何敏娟，Ｆｒａｎｋ　Ｌａｍ．北美轻型木结构住宅建筑的特点［Ｊ］．　结构工程师，２０ｏ４（１）：１－５．　作为木结构建筑鼻祖之一的中国，在这一领域停滞２０余年后，开　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒｎ　ｗｏｏｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｈｏｕｓｅ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ’Ｓ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ＪＩＡＮＧ　Ｙａｎ－ｐｉｎｇ　ＺＨＵ　Ｄｅ－－ｂｉｎ　ＬＩＵ　Ｙｏｕ・・ｚｈｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗｏｏｄｅｎ　ｈｏｕｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｏｏｄｅｎ　ｈｏｕｓｅｓ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｏｏｄｅｎ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ’Ｓ　ｍａｒｋｅｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｗｅ　ｓｈｏｕｌｄ　ｓｅｉｚｅ　ｔｈｅ　ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｏｏｄｅｎ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｅｒｎ　ｗｏｏｄｅｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｈｏｕｓｅｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　收稿日期：２０１０—１２—０５　作者简介：刘昱形（１９８１一），男，太原理工大学建工学院工程硕士研究生，工程师，山西省建筑设计研究院，山西太原０３０００１　爹　ｊ学零；臂　刘昱彤：基础隔震技术在建筑结构中的应用探讨　・３７・　期，阻尼保持不变，ＩＩＩＩ速度反应降低，位移反应增加，即为图中Ｂ　使用年限。即使隔震层部件在房屋设计使用年限内需要改装、更　点。在延长建筑物周期的同时，加大结构阻尼，则加速度反应减　换，其施工也是不难操作的。　小，位移反应得以抑制，即为图中Ｃ点。由此可见，适当延长结构　２．３　隔震结构的动力分析模型　周期，并给予恰当的阻尼可有效降低结构反应。而位于结构底层　隔震结构动力分析模型主要分为单质点隔震体系和多质点　的隔震装置，则实现了二者的有机结合，它能够安定持续的支承　隔震体系，其中单质点隔震体系是将上部结构简化为一个刚体，　建筑物重量，追随建筑物水平变形，具有适当弹性恢复力，能够耗　不考虑上部结构的层问位移。其体系的恢复力模型是隔震层的　散地震输入的能量，使得上部结构甚至在遭受罕遇地震时，依然　双线性恢复力模型，体系的刚度采用隔震层的刚度，体系的质量　可以保持弹性工作状态，仅发生近似平动。　采用上部结构质量，不考虑隔震层的质量。多质点隔震体系是将　２基础隔震技术在建筑结构中应用的若干关键问题　隔震层作为一个质点计人结构体系。上部结构采用层问剪切模　型，从而形成“串连多质点体系”模型。多质点隔震体系是将基础　２．１　隔震装置的力学性能　国内外隔震结构目前技术比较成熟，并已在国内外广泛应用　隔震层作为第一个基本单元，其刚度为隔震支座的刚度，上部结　的隔震装置是夹层钢板与橡胶层紧密粘结的标准型夹层橡胶隔　构仍然将各楼层视为一个质点。　震垫。橡胶支座基础隔震系统通常可分为隔震器和阻尼器两大　２．４　隔震结构设计合理选择输入地震动　部件，其力学性能主要通过第一形状系数Ｓ　（橡胶支座中每层橡　输入地震波的周期成分对隔震结构的反应影响很大，若输入　胶支座的有效承压面积与其自由表面积之比）和第二形状系数Ｓ：　地震波的短周期成分较多，则隔震结构的反应值会越小，反之，若　（橡胶支座有效承压体的直径与橡胶总厚度之比）未决定。　长周期成分较多，则隔震结构反应值会越大。故在对隔震结构作　２．２隔震装置的耐久性　时程分析时需要严谨地选择合适的地震波。　按现行标准，大部分建筑结构设计使用年限为５０年。实践　３关于中、美、日三国规范基础隔震设计思想的比较　表明，隔震支座的工作寿命可超过５０年。如澳大利亚墨尔本某　中国、日本和美国三个国家建筑抗震规范　２。　的有关规定不　铁路桥使用橡胶支座　Ｊ，于１８８９年建成，已使用１００多年，老化　但与三国的地震背景、区划方法、衰减规律等技术问题有关，还与　深度仅为５　ｍｍ。目前的橡胶隔震支座产品，大都采取了外围保　设防水准、设防目标有关，而且在很大程度上取决于经济和行政的　护层以及抗老化剂、阻燃剂等措施，寿命可达到或超过房屋设计　决策。而三国在隔震技术实现手段上也不尽相同，如表１所示。　表１　中、美、日三国规范中关于隔震技术的比较　项目　中国规范ＧＢ　５００１１－２０１０　美国规范ＩＢＣ－２００３　日本规范ＪＡＰＡＮ　场地限值　Ｉ，ＩＩ．Ⅲ类型　Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ类型　１，２类型　隔震建筑的最大高ｇ．／ｍ　４０　ｌ９．８　６０　不隔震结构基本周期／ｓ　＜ｌ　趋于ｌ　隔震结构的周期大于２．５　隔震部位　基础隔震　基础隔震　不限　隔震支座性能　不允许受拉　无规定　不允许受拉　隔震结构分析方法　时程分析及静力简化设计方法　时程分析及静力简化设计方法　时程分析方法　从表１可以看出：这三国规范都规定隔震建筑应选用稳定性　震设计思想方面及动力分析等方面都是基本相同的。　较好的硬土场地。日本限定在１，２类型的场地，中国限定在Ｉ，　４结语　Ⅱ，Ⅲ类型的场地，美国限定在Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ类型的场地。同时，也　相比传统以刚克刚的结构抗震设计思想，基础隔震技术开辟　限定了隔震建筑的最大高度，日本规定隔震建筑高度不超过　了一条以柔克刚的结构抗震新思路。在保证结构安全性的同时，　６０　ｍ，中国的不超过４０　ｍ，美国的不超过１９．８　ｍ。美国还规定原　也可降低造价达到经济性的目的。在应用于建筑结构时，国内外　不隔震结构的基本周期要趋于１　Ｓ，而中国的要小于１　ｓ，日本则规　基本上都形成了较为完整的成套技术，相应的技术规范也已基本　定只考虑隔震支座的刚度时隔震结构的周期大于２．５　Ｓ。中国和　成型，但依然存在着一些关键问题有待理论上的完善，对这些问　美国都规定为基础隔震，即结构第一层以下的部位，且隔震支座　题的关注和解决对于进一步的完善基础结构隔震技术和提高我　不允许受拉，而日本则不限。由于日本隔震建筑的高度较高，因　国建筑结构抗震水平都具有重要意义。　此，它还规定了隔震层的刚度中心和上部结构的质量中心的最大　参考文献：　偏心率为３％。日本强震作用下的隔震结构需用时程分析法来计　［１］　ＣＥＣＳ　１２６：２００１，叠层橡胶支座隔震技术规程条文说明［Ｓ］．　算，我国和美国的隔震结构在一般情况下都采用时程分析法计　［２］ＧＢ　５００１１－２０１０，建筑抗震设计规范［Ｓ］．　算，也可基于反应谱的等效线性化的静力简化设计方法。在应用　［３］　ＦＥＭＡ，１９９７，ＮＥＨＲＰ　Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　等效线性化分析方法时，在结果中需要考虑一些安全系数，而时　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ＦＥＭＡ一２７３（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．：Ｆｅｄｅｒａｌ　Ｅｍｅｒｇｅｎ—　程分析方法可以不考虑。　ｃｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ａｇｅｎｃｙ）．　由于三个国家的国情不同，在抗震设防目标、抗震设防水准　『４］　ＩＣＣ，２００２，２００３　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｃｏｄｅ，Ｆａｌｌｓ　Ｃｈｕｒｃｈ，ＶＡ：　及抗震设计方法上都不相同，适用的范围有各自的针对性，但在隔　Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｄｅ　Ｃｏｕｎｃｉｌ．　Ｏｎ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ＬＩＵ　Ｙｕ—ｔｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｅｘｐｌｏｒｅｓ　ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂ・　ｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄ　ｕｎｄｅｒｔａｋｅｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｆｏｒ　ｈｔｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｓｅｉｓｍｉｃ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，Ａｍｅｒｉｃａ　ａｎｄ　Ｊａｐａｎ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ａｎｔｉ—ｓｅｉｓｍｉｃ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａｓ