建筑結構設計與隔震技術應用研究

王靜

摘 要：本文以建筑結構設計與隔震技術應用為研究視角，分析我國在建筑領域防御地震方面經歷的主要階段，通過目前建筑結構設計具有隔震工程的應用案例分析，提出建筑結構設計與隔震技術的實現路徑及方法，研究成果將形成建筑業的核心技術，從而形成建筑業的核心競爭力，有利于建筑業進一步開拓與鞏固市場，具有良好市場前景。

關鍵詞：建筑結構設計；隔震技術；應用分析；實現路徑

中圖分類號：TU352 文獻標識碼：A 文章編號：1672-8122（2016）11-0155-04

一、引 言

地震是一種不可抗力，屬于自然世界中難預測、難預防與難控制的破壞性活動（如表1、圖1所示）。地震防御技術與防震減震技術的發展受到動力學與經濟成本的雙重制約與相互促進。建國初期，地震設防標準低，人員傷亡損失也大，但是基于薄弱的經濟基礎，其震害損失總額不大，但是對人們的生產生活影響重大；近年來經濟得到了飛速發展，但是抗震設防水平在西部山區和丘陵地區得到的普及也較少，汶川地震帶給我們巨大的災難，使我們認識到地震對居住載體危害是巨大的，影響是深遠的。

我國在建筑領域防御地震方面經歷了三個主要的階段：首先是抗震設計，這也是目前國內規范的主流，主張增加截面剛度，以自身的抗力來抵抗地震力，消耗了大量的建筑工程材料，增加了能源與資源消耗，代價高昂（如圖2所示）；隨著人們對地震作用影響機理的認識，隔震結構的發展主張“以柔克剛”，通過增加結構自振周期，使其自振頻率遠離共振區，降低震動擴大系數，減小地震的危害（如圖3所示）；第三個階段也就是目前正在研究的智能制震階段，其手段依賴高智能材料和智能傳感網絡，造價高昂，需要國民經濟發展到一定階段再進行論證使用。

隔震技術在日本、美國應用廣泛，我國目前走在前列的省份當屬云南。1999年云南建設廳發文批示鼓勵橡膠隔振器，在既有高烈度區域的使用占比高于10%，該批文重點考慮了地震的危害性與當前國民經濟的發展水平，認為使用隔震技術可以在大體量的結構中可以降低總體使用造價。

根據隔震的機理與隔震層的布設位置，隔震分為基礎隔震和層間隔震兩種，前者具有普遍的適應性，后者則多用于底部大空間、裙樓和主樓連接緊密、沿海、山區等建筑結構，其布設可以降低高聳結構的“鞭梢效應”，增強減震能力。例如：2013年4月20日四川雅安發生7.0級地震以后，采用地基“彈簧緩沖”的隔震技術修建的蘆山縣人民醫院外觀完整且受損較小引起人們關注。

通過本文的研究，對建筑公司內部承接高烈度設防建筑進行設計施工雙優化，節約建筑用材，減少碳排放，提高建筑結構防震性能，增大設計自由度，節約施工成本，提高建設工程的投資/效益比。

二、目前建筑結構設計具有隔震工程的應用案例

1.昆明新機場

昆明機場結構長度1120m，寬度855m，單層建筑面積18萬m2。前中心區長324m，寬256m，混凝土及鋼結構都未設置變形縫。航站樓屋面鋼結構劃分為7段，設置6道變形縫，最大長度達392m。

昆明新機場隔震采用1810個直徑達1000mm的隔震支座，同時采用長度達4.8m的粘滯阻尼器，組合采用了隔震加粘滯阻尼技術。隔震建筑長324m，寬260m，單層面積達8萬m2。中國建筑第八工程局有限公司通過施工昆明新機場，研究和開發了機場類建筑隔震施工技術，包括：

（1）橡膠隔震支座安裝施工技術；

（2）橡膠隔震支座更換施工技術；

（3）隔震建筑與周邊建筑及管線的處理；

（4）隔震支座變形監測技術；

（5）粘滯阻尼器安裝施工技術；

（6）超長、超大混凝土無縫結構隔震工程施工技術。

2.上海友緣綠化建設工程

本工程抗震設防烈度為9度，設計基本地震加速度為0.4g，場地類別IV類，設計場地特征周期0.9s.采用隔震、減震設計，采用隔震、減震措施后，結構可按7度設防，設計基本地震加速度為0.15g。本工程的隔震部件由三部分組成彈性滑板支座、橡膠支座以及粘滯阻尼器；設置彈性橡膠支座（32個）、彈性滑板支座（120個）、黏滯阻尼器（30個）。其中彈性滑板支座只承受豎向力，橡膠支座提供水平初始剛度，不受豎向力，阻尼器起耗能和緩沖器作用。

3.玉樹州紅旗小學消能減震

玉樹州紅旗小學屬災后重建項目，項目地址位于青海省玉樹州結古鎮民主路，總建筑面積13127.9m2，其中教學綜合樓建筑面積12161.88m2，地上四層，主體為框架結構，抗震設防烈度為7度。教學綜合樓共采用12根屈曲約束支撐，分布于2個柱間，設置層數為第1～3層。在設置屈曲約束支撐位置處的框架梁和框架柱處設有預埋件和鋼連接節點。鋼結構梁、柱位置處預留的連接節點與屈曲約束支撐現場焊接連接，焊縫為對接焊縫，焊縫質量等級為二級，現場采用焊條電弧焊焊接方式。

4.中國博覽會會展綜合體項目（北塊）施工總承包

中國博覽會會展綜合體項目（北塊）北至崧澤高架、南至規劃盈港東路、西至諸光路、東至規劃淶港路，施工總承包（二標段）工程建筑面積60萬平米，占地面積85.6公頃。鋼結構、幕墻、電梯工程、精裝修工程等。

C1區屋蓋鋼結構為多跨連續三角形空間管桁架結構，寬270m，長338m，標高范圍為32.579m～42.000m。主結構由橫向主桁架及縱向連系桁架組成，在上弦平面布置柔性支撐與檁條相結合的支撐系統。屋蓋支撐柱為混凝土柱，共80個，通過抗震支座支撐屋蓋鋼結構，抗震支座由滑動支座、橡膠支座、粘滯阻尼器組合而成。C1區屋蓋鋼結構示意圖見圖13。

三、 建筑結構設計與隔震技術的實現路徑及方法

1.實現路徑

（1）隔震研究方向屬于結構動力學的更高層次的分支，該學科較為復雜，需要防災減災與防護工程專業人才的支持與支撐，與施工企業一起，完成理論與實踐結合的目標。

（2）需要與在技術研究領域有多年研究經驗的教授合作，進行耗費較大的動力試驗，主要是振動臺試驗和MTS耗能原件滯回性能試驗，其耗資較大，試驗模型的建立、振動傳感網絡的搭設頗費時間與金錢。

（3）由于房屋建筑結構體系多樣性強，對于混凝土框架和普通剪力墻結構的試驗和分析和對于鋼結構的分析需要試驗-仿真雙重模擬，需要投入大量的人力專門專項，分頭同步進行研究。

（4）如何尋找一種普遍適應性的經濟學模型去分析隔震設置前后經濟效益的成本對比情況，需要具有一定施工經驗的人參與進來進行評估。

（5）不同類型的隔震器選型與布置對于不同類型地震波的敏感性不同，如何綜合評價一個隔震體系的優劣需要建立一個相應的標準。

2.實現方法

（1）施工單位開展隔震研究，主要是把近幾年的隔震施工技術成果進行分析總結，完成設計優化、與施工優化的分析，能夠使得隔震設備在地震下更好地發揮效能，救災減災，保護人們生命財產安全。

（2）通過開展既有隔震建筑加固改造，對近年來地震預測區的既有重要建筑進行改造示范，優化設計、便捷快速施工，形成既有建筑抗震能力的提升。

（3）對高烈度區而言，隔震的效果會更好，能夠減小抗震構件的尺寸和含鋼率，從而降低經濟投入，節約工程總體造價。

（4）預制裝配式建筑的震害比較厲害，也是唐山震害后一直沒有復興的主要原因，通過研究與預制裝配式建筑相適應的隔震技術，減小預制構件的尺寸和含鋼率，增加預制構件的震害生存指標。

四、結 語

研究成果可以推廣應用到房屋建筑領域，可降低地震動對結構的內力與振幅、降低地震危害，減少次生災害的發生。該技術可以在同樣抗震設防標準前提下降低既有建筑結構的構件尺寸與配筋率，降低工程造價，減小工程風險，保護人民群眾的生命安全和生產生活物資安全，其經濟與社會效益十分顯著。該研究成果將形成建筑業的核心技術，從而形成建筑業的核心競爭力，有利于建筑業進一步開拓與鞏固市場，具有良好的市場前景。

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