隔震建筑构造设计

鲁丹丹

[摘要]对于建筑设计者来说,充分了解隔震建筑的性质(如隔震的基本原理、隔震前后建筑性能的变化以及如何通过隔震来确保建筑的使用功能等),这将有助于安全合理的设计隔震建筑以及隔震技术的推广应用。

[关键词]地震；建筑；构造建筑设计遵循“人本为主”、“可持续”的理念,而房屋建筑作为设计的对象,是人类栖息的场所和进行各种活动的物质条件,安全是第一位的。直接影响安全的因素,除建筑本身结构外,当属各类灾害(自然灾害、人为灾害)对其的破坏。因此,建筑的防灾与减灾是建筑设计中必不可少的内容。在各类灾害中发生频率最多的要算火灾,破坏最大的应该是地震。

1隔震建筑的基本原理

根据隔震建筑的原理可知,隔震装置设置于建筑物底部用来承受竖向荷载,并以其变形特性延长建筑物的震动周期。因此,隔震装置在竖直方尚,必须是刚性大且受力小;而水平方向刚性小,必须具有相当大的位移和变形能力。隔震装置依据受力特点与功能来分,大致分为两大类:单纯支撑建筑物荷载型和衰减地震水平力的消能衰减型。

目前,应用较多的隔震装置是叠层橡胶支座。叠层橡胶支座是由一层钢板一层橡胶层层叠合起来的,并经过加工将橡胶与钢板牢固地粘结在一起形成,其刚性取决于支座的直径、层数及每层橡胶的厚度。首先,叠层橡胶支座有很高的竖向承载特性和很小的压缩变形,可确保建筑的安全;第二,具有较大的水平形能力,剪切变形可达到250%而不破坏;第三,具有弹性复位特性,地震后可使建筑自动恢复原位。现代科技的发展己解决了橡胶的老化等耐久问题,完全可以使叠层橡胶支座的寿命满足建筑使用的要求。

阻尼器：作用是通过消耗振动时的能量,来减少地震力对隔震建筑的作用,从而抑制上部结构与地基之间的过大相对位移。其变形具有类似于弹簧的特性,变形几乎不受轴向力变化的影响。常用的阻尼器有以下类型:钢阻尼器(SteelDamPer)、铅阻尼器(PbDamPer)、摩擦阻尼器(FrietionDmape)、油压阻尼器(011Dmape)、粘性体阻尼器(ViseousshearDamper)。

2隔震建筑构成与设计

如何响应隔震上部结构在地震时产生的大的位移,是隔震建筑在设计上最重要的概念。关于设计位移的确定,一般地质条件,隔震建筑外周侧通常留40cm的活动空间(设计位移约25cm)。然而,实际设计位移仍需结构设计人员进行确认。

2.1空间构成上部结构：位于隔震层的上方,地震时产生大的位移,此位移量取决于设计,方向是前后左右全方位的。上部结构变形大而加速度小,所以居住性能良好,家具等也不易翻转倾覆。

隔震层：隔震层是指设置隔离层或阻尼装置等隔震部件的区域。

隔震层的上下楼层间易发生大的层间变形,因此在必要的部位必须采取充分的隔震措施来适应这个变形。

下部结构：位于隔震层下方,是支承上部结构及隔震层的部分。在不设地下室的基础隔震类型中,基础相当于下部结构。在中间层隔震的情况下,下部结构与一般抗震结构采用相同的处理手法和设计,不同的只是受到上部作用的地震力要小。

外周部：是指与上部结构邻接的地表部分。外周部和上部结构之间产生40cm左右的相对位移。为避免人员等靠近,设植栽等阻挡物。

另外周边应留有足够空地,以防大地震时上部结构超越建筑红线。

动线：联系上述各个空间的动线对建筑来说非常重要,与动线相关的有人、车、水、电以及管道井等。建筑中水平方向的动线组织有门厅、出入口、车道等;垂直方向的动线则有楼梯、电梯、自动扶梯、设备竖井、停车设施等等。以上这些建筑要素要求能适应地震时上部结构所产生的位移(隔震层的层间变形)。

2.2隔震建筑的形式基础隔震：在建筑物的最下层的基础部位设隔震层和隔震装置,是最基本的隔震结构形式,也是在工程中应用最多的隔震形式。

中间层隔震：在基础以上的中间楼层设置隔震层,下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触。因此它没有基础隔震建筑的底部体积和墙体数量的问题,但隔震层以下的楼层需要做抗震处理。在市区场地不太宽裕时,可把隔震层设计在地面以上,在空中变形有利于节约用地,同时也有效减少地基的挖土量。

人工隔震地基：在多栋建筑物的人工地基下方设置隔震层,可一次性、大范围解决多栋建筑物的隔震问题,在集合住宅下方设置作为人工地基的共同管沟可提高整个城市空间的耐震性。

隔震改造：适用于对既有建筑物的耐震改造,常用于提高具有纪念意义或文化价值的建筑物的耐震性。由于采用隔震结构体系,减少了作用于建筑物的地震力,从而几乎不需要对建筑本身补加任何结构处理,同时,改造后不改变建筑外观及内部空间。但由于建筑物下方增设隔震层,改变了支承系统,使得基础工程量大大增加。与新建建筑物相比,既有建筑物的改造受到更多的条件限制:有要求边营业边施工的可能;要保持内外装修的连续性、一致性;还要确保通往建筑内的流线等。

3场地与规划

隔震建筑属长自振周期结构体系,最好建在主周期短的地基上。建筑场地宜为根据《建筑抗震设计规范》(GB50011一2001)规定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,并选用稳定性较好的基础类型。

3.1规划设计隔震建筑设置有隔震层,在地震时上部结构会产生位移。因此,外部空间应作包括邻栋间距、碰撞距离、消防及外观的舒适感等安全上的考虑。此外,建筑外墙、外围设施、坡地、挡土墙等,在场地规划时,也应从适应上部结构位移特性方面考虑。

3.2设计性能目标抗展性能：大地震时具有高安全性是隔震建筑的特点,因此隔震设计以建设地区大地震的烈度为基准,以建筑本身及室内物品无损坏为目标确定抗震性能指标。非隔震的下部结构及基础部分(桩、挡土墙、地下室等)也要求有一定抗震能力,在大地震中结构基本保持在弹性范围以内。

抗风性能：由于隔震建筑水平刚度小容易产生微小晃动,应考虑季节风等带来的不适,还会出现因风压而使隔震层的阻尼装置失效或高衰减的叠层橡胶的隔震效果降低等情况。因此风压产生的水平振动可能会有损建筑的使用性及隔震部件的耐久性。此外,罕遇的大台风也会使隔震层产生大的变形,所以要求隔震层具有抗风性。

降低隔震层的水平刚度：为了提高建筑隔震效果,使隔震层的水平刚度充分小并延长建筑物的自振周期,这就要求设计的时候,选择适宜的隔震支座和平面柱网尺寸。

避免隔震支座产生拉应力：为避免隔震支座产生拉应力,应把高宽比作为隔震建筑设计的限制条件之一。高宽比的上限取决于隔震支座总水平刚性的自振周期,并与自振周期成正比。把上部结构设定为刚体,使地震输入的能量与隔震装置吸收的能量平衡,以地震加速度作用的一刹那隔震支座不产生拉应力为目标。高宽比相同的建筑物,尽量使建筑物的轴力集中于建筑物的两端,可延缓拉应力的产生。

参考文献[1]林鸿志.九二一大地震震灾调查、建筑物耐震能力评估修复补强专辑.台湾:中华民国建筑师全国联合会,2000[2]詹添全,高志扬,李训良.内政部营建署建筑物耐震能力评估及补强讲习会讲义.台湾:财团法人中华建筑中心,2001[3]冯陈.隔震建筑的下部结构设计.南京建筑工程学院学报(自然科学版),2013,(4):96