基础隔震技术研究探讨

摘要： 基础隔震技术是目前工程中应用较多的一种减震控制技术，由于其造价低、易于实施、减震控制效果好，正受到许多国家越来越多的重视。本文论述了基础隔震技术的特性以及该技术在我国的研究、应用情况，并探讨了基础隔震技术的发展趋势。

Abstract: Base-isolated technology which belongs to damping control technology is applied extensively in current projects. Because of its low cost, good effect of damping control and it is easy to carry out, it pays more attention to many countries. This paper discusses the characteristics of base-isolated technology and the present research and practice situation in our country, and probes into the development of base-isolated technology.

关键词： 基础隔震结构；铅芯橡胶支座；阻尼

Key words: base-isolated structure；lead rubber bearings；damping

中图分类号：TU47文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）02-0082-02

0引言

地震作为一种危害性极大的突发性自然灾害给人类社会带来了无数的生命与财产损失。人类在与其斗争的过程中不断积累经验和教训，不断进步。传统的抗震设计是一种弹塑性设计方法，其设防目标可概括为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。为了达到这一目标要求结构构件具有相当的强度和塑性变形能力，即通过建筑物结构构件的强度和塑性变形来抵抗地震作用和吸收地震能量，是一种消极、被动的抗震方法。虽然按这种设计方法设计的结构可防止结构倒塌，但结构或结构内部的设备与装修可能完全严重损坏，而采用基础隔震技术可以很好地解决这一问题。

1基础隔震的概念和基本原理

建筑结构隔震的本质思想是通过增加能够提供柔性和适当耗能装置（阻尼）的隔震层（系统），以达到减小结构振动的目的。基础隔震，就是在建筑物的基础和上部结构之间设置一个隔震层，延长结构的振动周期，适当增加结构的阻尼，使结构的位移集中于隔震层，上部结构像刚体一样，自身相对位移很小，从而使建筑物不发生破坏或倒塌。基础隔震技术的基本原理是通过设置在结构物底部与基础顶面之间的隔震消能装置，增加结构的变形能力和滞变阻尼。变形能力的增加，使得结构在地震作用下保持不倒；而阻尼的增大可以吸收更多的地震能量，从而大大减小地震作用、基底位移和结构变形。同时，结构变形能力的增大导致了结构产生的第一振型周期变长。这与增大的阻尼相结合，就可以大大降低地震影响系数，并且结构底部有足够的横向变形能力和滞变阻尼，使得结构底部的应力分布较为均匀，避免了常见的结构底部首先破坏的可能性。

2基础隔震的分类及其特点

2.1 叠层橡胶垫基础隔震叠层橡胶垫基础隔震是利用叠层橡胶垫水平刚度小的特点，延长结构第一固有周期，避开地震波卓越周期，达到降低结构地震作用的目的。这种隔震初始刚度不大，隔震效果良好，构造简单，性能稳定，是目前各国应用最多的一种隔震体系，但造价较高。它的支座形式主要有普通叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座、高阻尼叠层橡胶支座等。

2.2 摩擦滑移基础隔震摩擦滑移基础隔震是利用上部结构与基础之间的解耦，控制结构底部剪力，达到降低结构地震作用的目的。当建筑受到小震作用时，滑擦力能阻止上部结构滑动。当地震强度大到一定程度时，滑移层受地震作用大于摩擦力，滑动面滑移，通过滑移消耗和阻止地震能量上传起到隔震作用，从而达到地震强度增大而上部结构内力不增加的目的。

2.3 复合基础隔震复合基础隔震分为并联复合隔震体系和串联复合隔震体系，但均由滑板摩擦隔震支座和叠层橡胶支座并联或者是串联组成。其中，叠层橡胶支座提供系统的向心复位力，滑板摩擦隔震支座滞回耗能，隔离地震。这种隔震系统充分利用两种隔震支座的优点，隔震机理简单明确，隔震效果好。另外，该系统具有良好的变形适应能力，即隔震层滞回耗能能力可以随地面运动输入的变化而变化。

3基础隔震技术的发展和研究现状

隔震概念最早由日本和合浩藏在1881年提出，早期的隔震建筑多是采用滚木或滑石片作为隔震元件，但是历经多次地震仍保存完好。现代意义上的基础隔震技术是由卡斯佩和日本大戚公共建筑工程公司分别独立创造出来的。大成公司在1983年旧金山国际抗震工程师大会上宣布了这项成果。该公司在模拟大地震作用的振动台上，用一个7层框架结构楼房和一个墙体承重结构楼房的模型作了试验。结果证明结构内部承受的振动力减弱了14-18倍，可以有效地达到抗震的要求。

基础隔震技术的实用化是现代科技进步，特别是地震工程研究的成果促成的。特定场地地震反应谱分析技术的发展，使人们可以相当准确地提出用于结构动力分析的地震动参数；用计算机进行结构动力反应分析的技术，使设计人员可以对所设计的结构进行各种模拟分析，从而获得结构的和隔震层的动力反应，正确选择各项设计参数；能量消散装置和高质量的层合弹性支座设计制造与试验技术，为隔震层的设计与建设提供有广泛范围的隔震设计部件；振动台试验技术使结构在完成前就能对其进行实验验证，提高设计的可靠性。基础隔震技术就是在这些现代科学技术的基础上发展起来的。

随着叠层橡胶垫、铅芯叠层橡胶隔震垫、高阻尼橡胶隔震垫以及各种阻尼器的研发成功，橡胶支座隔震已逐步发展成为隔震技术的主流。在这方面，日本、美国、加拿大、法国、新西兰等经济发达国家居于领先地位，并相继建成大量隔震建筑物，如日本的东京都府中市C-1大楼，为钢和钢筋混凝土混合结构，高达41m；新西兰的威廉克雷顿大楼于1981年建成，是世界上第一个采用铅芯橡胶支承的结构。这些隔震建筑中有的已经接受了地震考验，都显示了较好的隔震效果，特别是在1994年1月17日美国加州北岭6.7级地震，1995年1月17日日本兵库县南部阪神7.2级地震中，洛杉矶南加州大学医院，日本West大厦表现出良好的隔震性能，这使得隔震技术越来越为广大的工程人员和社会所接受。

在理论研究方面，基础隔震技术的应用和发展与隔震装置力学性能的研究、基础隔震结构地震反应分析理论和计算方法的研究进程息息相关。目前对隔震结构的研究已经由简单的质点模型发展到三维空间模型。一些研究证明扭转的影响将导致上部结构的不对称超过其他部位。为了能更好的保护上部结构，必须在基础隔震系统同水平上有更大的位移，反之亦然。NakamuraJ通过对叠层橡胶支座基础隔震单层结构的试验研究，认为对于叠层橡胶支座隔震结构，当上部结构和隔震系统的偏心距适中时，扭转反应较小或可忽略不计。吕西林、朱玉华对采用铅芯叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑动支座隔震系统及由叠层橡胶支座和滑板摩擦隔震支座构成的组合隔震系统的基础隔震房屋模型和基础固定房屋模型进行了模拟地震振动台试验研究，分析多向地面运动（水平单向、水平双向、水平和竖向及三向地震动）输入时上部结构反应和隔震系统的性能。试验结果表明，水平单向和双向地震动输入时，结构各层加速度反应放大倍数接近，但竖向地震动对结构反应有显著影响，在分析中应予以考虑。在设计方面，目前仍然采用典型地震波下的时程分析法，计算较繁琐。新西兰学者Skinner首先提出了基础隔震建筑的简化计算方法，美国和日本的学者也先后提出了简化计算方法，其后，美国、日本、新西兰和意大利4国先后颁布了建筑隔震设计规程，法国也把隔震橡胶垫标准化并完善了用于核电站的隔震设计标准[8]。我国学者周锡元、苏经字等对隔震设计的简化计算方法也进行了研究，在我国新编的建筑抗震设计规范中明确提出了隔震结构设计的简化计算方法。在我国，基础隔震研究起步相对较晚，主要以摩擦滑移体系和橡胶隔震支座体系为主体进行了一系列的研究。上世纪80年代开始，隔震技术研究逐渐在国内得到重视，国内的研究重点当时集中在以砖混结构为主要应用对象的价格低廉的摩擦滑移隔震结构，并在摩擦材料选择、分析方法探讨、参数优化、模型试验研究和试点工程方面取得了一系列成果。从1993年开始，橡胶支座隔震建筑开始在个别高烈度区试点。1993年在华中理工大学唐稼祥等主持下在河南安阳用自主开发的铅芯橡胶支座建造了一座底框住宅楼。如今橡胶支座隔震技术在实际中已有一定数量的应用。目前，我国叠层橡胶支座房屋的建筑面积在200万平方米左右，分布在20个省、市，基本覆盖了大陆的高烈度地震区。经过近20年的基础技术研究和较大范围的工程实践之后，我国的隔震技术已经进入到标准化、规范化阶段，在新修编的国家标准《建筑抗震设计规范》中增加了一章“隔震和消能减震设计”，这是我国第一个隔震建筑设计规范，此外我国还规范了一系列与《建筑抗震设计规范》配套的技术标准，如建设部颁布了《建筑隔震橡胶支座》产品标准，同时符合规范要求的隔震建筑分析软件也已投入使用。