层间隔震结构适用范围研究

层间隔震结构适用范围研究

刘德稳廖文远韩毓李丽陈爱梅蒋蜀江

西南林业大学土木工程学院云南昆明650000

摘要：本文概述了地震对工程的危害，阐述了减震控制的机理，对层间隔震结构的适用范围及优势进行了研究。结果表明：层间隔震结构是一种能够适合地震区的新型结构形式，通过有效的设计能够在地震灾害中表现良好。

关键词：地震；层间隔震结构；新型结构；震害经验

引言

地震是一种复杂、随机、突发性、毁灭性的自然灾害，它对人类社会构成严重威胁。世界上很大一部分人口居住在地震危险区域，遭受到大小不同发生频度不同的地震威胁。在最近一百年里，地球处于地震高发期，如1906年的美国旧金山8.3级地震，1923年的日本关东8.3级地震，1960年的智利8.5级地震，1964年的美国阿拉斯加8.4级地震，1976年的中国唐山7.6级地震，1985年的墨西哥8.1级地震,1995年的日本阪神7.2级地震，1999年的中国台湾7.6级地震，2001年的印度7.9级地震，2008年的中国汶川8.0级地震，2009年的印尼7.7级地震,2010年2月的智利8.8级地震，2010年10月的加勒比岛国海地7.3级地震，2011年的日本本州东海岸附近海域8.6级地震,2011年10月的土耳其东部7.2级地震，2012年3月21日墨西哥南部7.4及地震和2012年4月11日印度尼西亚8.7级地震等等，地震给所在国的经济建设和人民群众的生命财产安全造成了严重破坏。

我国处于世界两大地震带—欧亚地震带和环太平洋地震带的交界处，地震区域广阔而且分散，地震频繁而强烈，近代地震造成的破坏程度惨烈，1556年我国陕西关中地区发生8级地震，死亡人数达83万人；1976年我国唐山发生7.8级地震，死亡24万余人，是近代死亡最多的一次地震；1999年台湾集集大地震，很多框架和剪力墙结构发生了破坏甚至倒塌；2008年5月12日我国四川汶川地区发生的8级大地震，受灾人数多达1000万人，死亡近10万人，直接经济损失达318亿元，强震波及多个省市。

人类在适应自然和改造自然的过程中，不断地探索抵御地震的方法，但限于古时候的科技发展水平和实践能力，一直没有形成系统科学的抗震设计方法，如何建立一套更加安全、更加有效、经济的结构减震新体系来减轻地震灾害，是土木工程领域的迫切任务。目前在工程领域普遍使用的抗震方法是基于强度和延性理论进行设计。对于传统的结构，地震发生时，结构的地震响应沿结构高度从下到上逐层放大，这样就需要增加构件的截面，而构件的截面越大，地震反应也就越大，不满足建筑使用功能和经济性的要求。这种传统的抗震设计方法利用结构的弹塑性变形来耗散地震能量，确保结构的安全性，但不能保证室内昂贵仪器和设备的破坏或次生灾害，因此不能仅仅依靠这种传统抗震设计方法来减轻地震灾害。故寻找一种既安全、又适用、又经济的新结构体系和技术，己成为抗震设计的迫切要求。

为此，各国地震工程的专家们通过对地震进行大量的工程建筑物的现场调查，吸取了很多宝贵的经验教训，对建筑结构的耐震安全性进行总结和反思，分析传统结构抗震技术存在的问题，探索新的抗震设防标准，提出一些新的设计理论和一些崭新的、更加合理的、安全的、经济的结构隔震、减震新技术，逐步形成了一种新概念、新机理的工程结构减震控制体系。

隔震结构体系通过设置隔震层，由隔震层的隔震装置吸收并消耗主要地震能量，减少能量向上部结构输入。由于隔震层的设置改变了上部结构的周期，降低了结构的地震反应，因此确保上部结构在大地震时仍可处于弹性状态，或保持在弹塑形变形状态的初期状态。1994年的美国Northridge地震，1995年的日本神户大地震，2003年日本宫城冲地震，2004年日本新泻地震和2005年日本福冈地震中，共有几十栋隔震建筑得到了考验。正是隔震技术才使得人们能够在大震时安全，在小震中震时安心，超前地实现抗震规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三个设防水准。

目前，日本、美国、意大利和俄罗斯等多震国家在隔震技术的理论和应用研究中已取得了令人瞩目的成果。日本是世界上最重视抗震设计的国家之一，自从1983年建成第一座隔震建筑后，隔震技术在日本迅猛增长，到2008年末日本的隔震建筑已经增加至2200栋左右，而这其中不包括3000栋左右的木结构隔震。

1.结构减震控制机理

1.1结构减震控制概论

传统的抗震方法是依靠主体结构本身的非弹性状态来消耗地震能量。由于设计烈度的欠准确性（如汶川大地震中许多地方的实际地震烈度远远超过了设防烈度）和结构非弹性破坏机理的复杂性，导致传统抗震方法的不安全（主体结构损坏失控）及应用的局限性（现代化建筑、重要建筑中仪器设备先于结构破坏而毁坏）。随着现代化社会的发展，建筑物对装饰的要求越来越高，建筑物中的精密仪器设备越来越多，传统的抗震方法在很多情况下已难以满足要求。而隔震、消能减震和各种结构控制技术则为人们展现了一条崭新的抗震新途径。

土木工程结构振动控制概念的提出至今已有近半个世纪的历史，并逐步由理论研究、试验而走向工程应用。按照是否需要外部能源输入来划分，结构减振控制的研究和应用大体上分为四大领域：被动控制、（半）主动控制、混合控制和智能控制。

1.2结构减震控制机理

结构减震控制，是指在建筑结构的特定部位，装设某种装置（如隔震支座），或某种机构（如消能支撑,消能剪力墙,消能节点,消能器等），或装设某种子结构（如调频质量等），或施加外力（外部能量输入），以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程结构在地震的作用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）明显减少，并得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和处于正常的使用环境状况，这种结构体系，称为“结构减震控制体系”。其相关的理论、技术和方法统称为“结构控制”。

2层间隔震适用范围研究

层间隔震结构是将隔震层设置在结构某层柱顶或剪力墙顶,对结构进行地震反应控制。根据隔震层设置位置的不同,层间隔震有多种形式。随着隔震层位置下移,层间隔震体系减震机理由TMD调谐逐步过渡为隔震耗能,在结构动力特性上体现为模态质量参与系数的比例发生变化。

层间隔震结构在减震机理、振动特性以及设计方法等诸多方面有别于基础隔震结构。与基础隔震相比，层间隔震具有以下优势:

①基础隔震结构,在隔震层顶部需要增设一层厚度大于160mm的梁板式楼盖,而层间隔震则不需要增设这样的楼盖,只是将结构原来的楼盖按隔震的要求设计即可；

②基础隔震结构的周边必须预留足够的空间来保证地震时隔震层能发挥作用；而层间隔震结构不需要特意为隔震层在地震时发生的较大位移预留空间，也不必设置与预留空间相对应的构造措施；

③对近海建筑、已有建筑、竖向不规则建筑、大跨度连廊式连体结构、地形复杂坡地等建筑场地，由于种种条件的限制，基础隔震无法实施时，层间隔震能突破条件的限制，发挥减震作用；

④采用隔震技术的房屋，通过隔震层处的水暖管道均需设置成软管。隔震层设置在层间时，软管部分就可以设置在地面以上，便于软管部分的施工、维修和更换。对旧有房屋进行抗震加固时，若采用基础隔震形式，需要在基础顶部将原有结构断开，进行施工，比较复杂。而在原有结构的顶部设置隔震层，施工过程会方便很多。

参考文献：

[1]周福霖．工程结构减震控制[M]．北京：地震出版社，1997．

[2]刘光夏．台湾省1999年“9.21”集集大地震简介[J]．华北地震科学抗震，2000，18(3)：71-74．

[3]柯镇洋，陈纯森．1999年台湾921集集地震建筑结构物震害经验与省思[C]//第五届中日建筑结构技术交流会论文集，西安，2001：139-149．

基金项目：云南省科技厅项目（2016RA079）;云南省教育厅项目（2015Y298）

作者简介：刘德稳，博士，副教授，清华大学访问学者。