城市抗震防灾：结构隔震与减震技术

1.结构隔震

传统的抗震设计，利用材料的强度和结构构件的塑性变形能力来抵抗地震作用，使建筑物免遭不可修复的破坏或不至于倒塌。隔震技术则是采用特殊的措施来隔离地震对上部结构的影响，使建筑物在地震时只产生很小的振动，这种振动不致造成结构和设施的破坏，还能保证结构物上的重要设备、仪器仪表的正常运行。

建筑结构隔震体系包括上部结构、隔震层（由隔震装置或加设阻尼装置等组成）和下部结构三部分。其中，隔震层处于上部结构与基础之间（或某层间部位）。

基础隔震的概念早在19世纪已提出，广义的隔震方案则更是源远流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层。现代的基础隔震理论和实践开始于20世纪70年代。基础隔震方案很多，如柔性层隔震结构（flexible first story building），此种隔震概念由Martel在1929年提出，由Green（1935）和Jacobasen（1938）进一步加以研究与完善；真岛健三郎于1934年也提出柔性层结构概念。地震时，柔性层进入塑性，结构的刚度变小，结构的基本周期延长，从而使上部结构所受的地震作用减小。

隔震橡胶支座（the laminated rubber bearing）隔震系统目前应用较多。南加州大学医院（The University of Southern California Teaching Hospital）采用了橡胶支座隔震系统，在某次地震中，这栋8层医院基础加速度为4.9g，而顶层加速度只有2.1g，加速度折减系数为1.8。而未采用隔震橡胶支座的橄榄景医院（The Olive View Hospital）的底层加速度为8.2g，顶层加速度为23.1g，加速度放大系数为2.8。由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。

建筑物进行隔震设计时应满足以下要求：

（1）基础隔震房屋的设计地震，应与传统的基础固定房屋的设计地震相同，亦即对于建造在同一地区的基础隔震房屋和基础固定房屋，采用相同的设计地震动参数，例如相同的设计反应谱等。

（2）要求分析基础隔震房屋在相应于最大地震反应时的最大侧向位移性能，并进行相应的试验以取得可靠的数据。《建筑抗震设计规范》要求对基础隔震房屋进行竖向承载力的验算和罕遇地震作用下水平位移的验算。

（3）要求在设计地震作用下，基础隔震装置以上的房屋基本上保持弹性状态。(www.xing528.com)

（4）对隔震器（或隔震支座）本身的要求：①在设计位移时，隔震器保持力学上的稳定；②隔震器能提供随着位移增长而增大的抗力，即抗力的增长与位移增长成正比；③在反复的周期荷载作用下，隔震器的性能不至于严重退化；④使用的隔震器有数量化的工程参数，例如力和位移的关系、阻尼等便于在设计中应用的参数。

（5）隔震设计应根据预期的竖向承载力、水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震装置及抗风装置组成结构的隔震层。

2.消能减震

结构减震消能技术是在结构物的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置消能（阻尼）装置，通过消能（阻尼）装置来消散或吸收地震输入结构中的能量，从而避免结构产生破坏和倒塌，达到减震抗震的目的。

消能减震结构体系不仅是一种十分安全可靠的减震体系，而且通过“柔性消能”的途径减少结构地震反应，改变了传统抗震结构中采用“硬抗”地震的方法，因而可以减少剪力墙的设置，减小构造断面，减少配筋，节约结构造价。此外，消能减震结构是通过设置消能构件或装置，使结构在出现变形时迅速消耗地震能量，保护主体结构的安全，因而结构越高、越柔，跨度越大，消能减震效果越明显。

常见的消能装置有：调频质量阻尼装置、调频液体阻尼装置、液压质量控制装置、黏弹性耗能装置、黏滞耗能装置、金属耗能装置等。例如，1972年建成的110层纽约世贸大厦共安装了1万个黏弹性耗能装置；西雅图76层哥伦比亚大厦安装了260个黏弹性耗能装置；1988年北京饭店和北京火车站在抗震加固中，分别采用了法国和美国生产的黏弹性耗能装置。

目前，许多国家在高层建筑的抗震设计方案中，已经采用了新技术，例如：美国纽约的42层高层建筑物，建在与基础分离的98个橡胶弹簧上；日本的建在弧型钢条上的防地震建筑物；前苏联的建在与基础分离的沙垫层上的建筑物，以及在中国使用的刚柔性隔震、减震、消震建筑结构与抗震低层楼房加层结构技术。这些技术改变了传统的插入式刚箍捆住内力（吸收地震能量）的结构体系，十分成功地应用于工程实践中。

以上简单介绍了结构隔震与消能减震，具体的将在第9章中详细介绍。