刘军强

（湖南安石建筑设计有限公司，湖南 娄底 417000）

1 引言

地震是一种突发性的自然灾害，大地震可能造成极为严重的破坏。随着我国社会经济的发展，地震的灾害性将变得尤为严重，特别是在人口稠密，生命线工程日益复杂的现代化大城市，其灾害性后果更不堪设想。

隔震技术是20世纪最具代表的革新性结构抗震技术之一，最早是由日本学者河合浩藏于1881年提出[1]，为工程抗震减灾提供了新的手段和研究方向，并在国内外地震中经受住了考验，表现出令人惊叹的减震效果。本次汶川地震中甘肃武都县的3栋隔震的6层砌体结构在地震中表现良好，屋中家具、花瓶等完好，墙体无裂缝，而邻近的非隔震房屋则振动激烈，室内家具、花瓶、电器等倾倒，墙体严重开裂。隔震技术不仅可以保护结构本身的安全，同时也保护了结构内部非结构构件、装修、家居电器以及设备设施免遭破坏。

2 隔震原理及基本特征

2.1 隔震原理

隔震是一种革新的抗震方法，它旨在解除结构与地面运动的耦联关系，通过增加结构的柔性与提供附加阻尼来减小输入到结构中的地震作用[2]。结构隔震体系是指在结构物底部或某层间设置隔震装置而形成的结构体系，它包括上部结构，隔震层和下部结构三部分。

普通中低层建筑物的刚度大、周期短，其基本周期正好在地震输入能量最大的频段上，因此相应的加速度反应比地面运动放大得多见图1中A点。如果延长建筑物的周期，而保持阻尼不变，则加速度反应被大大降低见图1中B点。如果继续加大结构的阻尼加速度反应则进一步减小见图1中C点。这就是说,通过延长结构的周期并给予较大的阻尼，就可使结构上的加速度反应大大降低。此外，对结构产生的较大位移可由上部结构底部和基础顶部之间设置的隔震层来提供，而不由上部结构自身的相对位移来承担。这样，上部结构在地震过程中就会发生接近刚体平移的运动，大大提高了上部结构的安全性。

图1 隔震原理示意图

这里通过定义结构与地面加速度的比值，即加速度衰减比Ra来展示隔震结构的减震效果与隔震装置的物理参数之间的关系[4]。图2反映了结构加速度减震效果与激励同结构频率比之间的关系。图2中，当频率比 ω/ωn=时，Ra=1，为隔震结构体系与传统抗震结构体系的分界点，即图2中A点。ω/ωn=时，Ra>1对应传统抗震体系，结构与场地共振；反之，当ω/ωn=时为隔震结构，此时Ra>1，随着 ω/ωn的增大，隔震减震效果越好。

图2 隔震结构关系曲线图

2.2 隔震体系基本特征

叠层橡胶隔震体系的隔震层由若干个隔震器组成。隔震器包括叠层橡胶垫和阻尼器，分普通叠层橡胶垫、铅芯橡胶垫和高阻尼橡胶垫。后两种隔震器本身已具备足够的附加阻尼，无需再额外设置阻尼器，实际工程应用中往往与普通叠层橡胶垫组合起来使用。隔震装置的基本特性如下[3]：

2.2.1 承载特性

隔震装置应具有较大的竖向承载能力，安全地支承上部结构的所有重量及使用荷载，确保建筑物在正常使用或强震下的绝对安全。

2.2.2 隔震特性

隔震装置具有可变的水平刚度。在强风时，具有足够大的水平初始刚度，不影响使用要求。在地震发生时，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使“刚性”的抗震结构体系变为“柔性”的隔震结构体系，其固有自振周期大大延长，远离上部结构的自振周期和场地特征周期，从而明显降低上部结构的地震反应。此外，由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，地震作用下结构的水平变形集中于隔震层，上部结构在地震中变为“整体平动型”，结构的层间变形小，即便在罕遇地震作用下也基本处于弹性状态。这样，既能保护结构本身，有能保护结构内部的装饰、精密设备仪器等不遭任何损坏，确保结构物和生命财产在强地震中的安全。

2.2.3 复位特性

隔震装置具有水平弹性恢复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后，上部结构回复至初始状态，满足正常使用要求。

2.2.4 阻尼消能特性

隔震装置具有足够的阻尼，可进一步耗散输入到上部结构的地震能量；同时可使隔震层的位移明显减少。

隔震体系明显有效地减轻了结构的地震反应，能确保建筑物在强地震中安全正常使用，对房屋造价没有较大的影响，且对上部结构的建筑设计限制较小。

3 隔震的设计施工要点

我国目前的隔震技术系列规程主要包含以下内容：（1）建筑、桥梁、特殊结构和工业建筑的隔震设计方法；（2）新建建筑物和加固建筑的隔震设计方法；（3）隔震结构设计方法有等效剪力法和时程分析法；（4）隔震设计容许减少对上部结构的水平地震作用力，以便能够降低普通建筑物的造价；（5）隔震垫可以容许承受不同的压应力；（6）隔震垫必须进行完整的试验以验证其性能。

隔震结构在设计和施工上都与传统的非隔震结构有很大的区别，将隔震技术成功应用到实际工程中，应严格按有关规范设计，并在施工时注意一些关键部位的构造处理，选用合格的产品。例如叠层橡胶垫基础隔震体系的隔震层对施工的要求是比较严格的，隔震层的位移不能受任何原因的干扰和约束，施工时不能损伤隔震器及其附件，并要求隔震器安置有较高的水平度，以确保地震时隔震层能发生水平位移并瞬时复位。

4 结语

随着现代化社会的发展，建筑物的建筑装饰与室内的精密仪器设备在建筑物的总造价中所占比重越来越大，传统的抗震方法在很多情况下已难满足设计要求，以隔震技术为代表的结构减震控制技术为人们展现了一条崭新的抗震途径。隔震技术概念简单，减震效果显著，安全可靠，适合于不同抗震要求的建筑物；隔震建筑在造价上和同类非隔震建筑相比没有较大的提高。综合各因素，隔震体系的经济效益和社会效益有着很大的潜力，是一种极具应用价值的新技术，值得大力推广。

[1]唐家祥，刘再华.建筑结构基础隔震[M].广州：华中理工大学出版社，1993.

[2]李立.中国工程抗震研究四十年[M].北京：地震出版社，2005.

[3]周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[4]刘文光，周福霖.铅芯夹层橡胶垫基本力学性能研究 [J].地震工程与工程振动，1999，19（1）：93~99.