周亦玲

西安建筑科技大學 710055 西安

 

    近幾年來，隨著我國經濟建設的高速發展，高層建筑，大型橋梁及海洋平臺等重大工程的大量興建，對基礎隔震技術的應用與研究已經取得了比較大的成果。基礎隔震結構的設計標準已經納入我國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）中，對一些基礎隔震設計時的具體細節有了更加詳盡的要求。并且已有許多工程實例引入了基礎隔震的技術。隨著這些大型工程的建設及交付使用，隔震技術也隨著實踐趨于完善。在基礎隔震結構的理論和工程實踐的基礎上，發展出了一種新型的隔震結構形式，即層間隔震技術。層間隔震結構的不僅擴大了了隔震技術的

 

    使用范圍，而且對此技術也產生了許多新的研究課題。

    不同于基礎隔震，層間隔震中隔震層的的設置可以根據結構的自身特點來靈活布置，隔震層通常安放在建筑結構某層樓板和柱子之間進行地震反應控制，這種布置方式不僅便于滿足建筑房屋使用的要求，也為隔震技術開辟了新的應用天地。

 

    依據結構自身的特點，可把層間隔震減震體系分為下面幾種形式：

    1.隔震層的位置設置在結構豎向剛度有突變的部位（圖1-a）

    2.隔震層的位置設置在結構形式有變化的部位（圖1-b）

    3.隔震層的位置設置在結構的一層頂（圖1-c）、

    4.隔震層的位置設置在結構的中間層（圖1-d）

    5.隔震層的位置設置在結構的頂層（圖1-e）

   

    整體結構由于在中間設置了隔震裝置，所以可分為上部結構、隔震層和下部結構三部分。這種層間隔震體系的上部結構和下部結構的層數不受限制，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，結構設計可以通過降低隔震層剛度來減小其的自振頻率，這樣就增加了結構的整體自振周期，使其遠離地震震動的周期，進而降低了結構的地震反應。隔震層可以集中大多數的地震能，并且依靠隔震裝置來進行散耗。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，整體結構的周期沒有得到太大延長，因此結構設計時既要考慮降低結構的自振頻率，又要考慮通過調整減震裝置的剛度改變上部結構的自振頻率，這樣，結構的自振頻率和主結構的激振頻率或基本頻率就比較靠近，這時為把結構的振動反應控制在可接受范圍內，可采用調諧吸振的方式。

 

    與基礎隔震類似，隔震層的上部結構在地震發生時主要進行水平平動，如果部結構地震反應不要求控制，且其剛度無窮大時，層間隔震體系就轉化為初始的基礎隔震體系。由于上部結構相當于下部結構的調諧質量塊，因此上部結構的存在，可以控制下部結構的地震反應。當上部結構地震反應不要求控制且為單自由度體系時，層間隔震體系則轉化成為被動TMD體系（調諧質量阻尼振動控制系統）。

 

    對于層間隔震減震結構，上部結構和下部結構都是結構設計時需要考慮到的控制目標，無論是對上部結構還是下部結構，都要減小其地震反應。

 

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

 

    與基礎隔震結構相比，層間隔震結構具有以下五個方面的優點：

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

 

    2．層間隔震結構不僅不必設置相對應與預留空間構造措施，而且也不需要為隔震層預留較大空間以應對地震時發生時的較大位移；我國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）有明確規定：建筑上部結構的周邊應安置豎向隔離縫，且縫寬應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。對兩相鄰隔震結構，其縫寬取最大水平位移值之和，且不小于400mm。于上部結構與下部結構之間設置一水平隔離縫，且該隔離縫應該貫通，并填充柔性材料；萬一無法設置隔離縫確，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，需要防止別發生碰撞。由于層間隔震的隔震層一般設于一層或以上柱頂，因此結構即使發生較大變形也是發生在空中。因此，不存在預留空間或者相應的構造方面的問題。

 

    3．降低土建造價；層間隔震與基礎隔震結構不同，不需要在隔震層頂部增設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構原樓蓋進行設計就行。因此，相對于基礎隔震，層間隔震結構不僅減少隔震支座的設計費用，而且還省下了一層樓板的費用，產生了顯著的經濟效益。

 

    4．層間隔震能增強結構抗傾覆的能力；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構不發生破壞，《建筑抗震設計規范》規定，拉應力不可以出現在隔震支座上。對于層間隔震結構，為提高結構的抗傾覆性能，使隔震層位置設置在較高位置，降低了上部結構的高寬比，同時使得結構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。相對于基礎隔震，對舊房進行抗震加固時，在原有結構的頂部設置隔震層會使施工過程方便很多。

 

    另外，與被動TMD系統的相比，層間隔震結構用橡膠支座代替了彈簧阻尼器，結構本身的樓板或隔熱層代替了附加的質量塊。并且在實際工程中，TMD系統存在以下不足之處：首先，需要一相當大的質量塊和一定的空間來安裝TMD系統；其次，TMD系統需要留出足夠的空間，用以預防質量塊的大位移移動；最后，為確保質量塊的可以自由移動，TMD系統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,高強華等采用基礎隔震中的阻尼器和疊層橡膠支座來替代TMD系統中的彈簧阻尼器，并且用結構自身的屋頂作為TMD的質量塊。由于此方案不用提供額外質量，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用等優點。

 

    由于層間隔震技術的以上優點，所以以下幾種工程多用層間隔震技術進行減震控制：

    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.舊結構加層：舊有結構在加層后仍要滿足規范所要求的抗震性能，可以通過在新舊結構之間加入隔震層來達到減震效果，也順便增強了結構整體的抗震能力。

    3. 加固舊結構抗震：對文物建筑等年代較久卻很具紀念意義的建筑，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.特殊結構建筑：對于底部框架上部砌體，及上部塔樓結構等混合結構，由于層間剛度存在突變，在地震作用下層間很易發生破壞，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，對基礎隔震技術有了一定的研究，但是在此基礎上發展出來的層間隔震技術的研究尚處于起始階段，對層間隔震應用技術，日本研究較多，而我國大部分的相關研究則是基于某特定結構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的理論研究成果。所見文獻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，基礎傾斜。大成建設橫濱支店于1996年8月，以層間隔震的方式對本建筑進行了改造加固。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新建的采用了隔震層技術的建筑，其隔震層設在一層柱頂，對其進行振動試驗。試驗表明，設計的層間隔震層大大的減輕了地震反應作用。試驗結果顯示在頂部出現了鞭梢效應，這是因為結構頂層的剛度較小。

 

    由諸多實例可知，改變隔震層位置的方式致使結構出現了動力反應方面的新特點：（1）隔振層上下結構明顯不同的的減震效果。（2）層間隔震結構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）加入層間隔震的結構仍然可能出現鞭梢效應。

 

[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. 層間隔震結構隔震墊的有限元模擬[J ] . 建筑結構,2001 ,31(11) :66～68.

 

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)