建筑结构设计隔震减震技术浅析

王龙熙

（襄阳市市政工程设计院有限公司，湖北 襄阳 441000）

在各种自然灾害中，地壳运动引发的地震最具破坏性，例如2008年5月12日发生在四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县的8.0级大地震，这场大地震中，不仅导致学校、住宅、工厂和办公楼倒塌，还导致众多的生命瞬间消失。四川汶川大地震造成的严重影响，使人们更加重视建筑工程设计中对隔震减震措施的应用。

对比不同损坏程度建筑物的结构设计时，笔者发现，没有采取隔震减震措施的建筑，损毁程度严重；
科学合理采取隔震减震措施的建筑，依然稳如泰山。这一事实告诉我们，在确保建筑结构设计符合实际建设要求的同时，一定要采取隔震减震措施有效提高建筑的安全性和稳定性，有效保护人们的人身和财产安全[1]。本文从隔震减震技术应用的重要性出发，对建筑结构设计中所采用的隔震减震技术进行分析，希望可以为相关工作人员提供一些参考。

汶川大地震已经过去14年了，2023年2月土耳其7.8级大地震又让我们想起当年的场面。缺乏隔震减震措施的建筑物在大地震面前毫无招架之力。图1所示为土耳其7.8级大地震现场一隅。

图1 土耳其7.8级大地震现场一隅（图片来源：“爱英语SHOW”微信号lilly_english）

隔震减震措施作为一种减少建筑物震害效应的有效手段，可以利用减震装置提高结构的阻尼，从而减小结构在地震时发生的反应。而且通过延长结构自振的周期，可以达到减小结构受到水平地震影响的效果，受到广泛的认同并应用于建筑结构的设计中。国内外的大量实验和实践证明，隔震减震措施的采用可以减少60%的建筑结构受到的水平地震力作用，减少或消除建筑物在地震中所遭受的破坏，增强建筑物内的设施和人员的安全。提高建筑在发生地震后仍然能够维持使用的能力[2]。

图2所示为土耳其7.8级大地震后的几栋建筑物的不同遭遇，我们能够清晰地看到周围的建筑安然无恙，中间这栋楼却发生坍塌，一片狼藉。可以肯定地说，这栋楼没有考虑地震因素可能带来的危害，更不用说采用隔震减震措施了。

图2 土耳其7.8级大地震后几栋建筑物的不同遭遇（图片来源：“爱英语SHOW”微信号lilly_english）

关于结构的性能需求，目前的抗地震设计准则中主要有两种表示方法：一种是根据破坏的等级来表示，一种是按照其应用的重要性按隔震减震装置的保护等级来表示。建筑结构损伤可分为未受损和在一般维护下受损，可修理或倒塌；
地震设防分为甲、乙、丙、丁四类。在某些钢筋混凝土建筑结构中，现行规范以普通维护和倒塌的分层变形角度作为定量指标，而在各种防震级别中，则采用了不同的防震方法。举例来说，乙级建筑采用的防震措施标准要比丙级建筑的有关规范要高一级。如果按照设计要求采取相应的抗震措施，那么在遭受与当地设防强度相同的地震冲击时，乙级建筑受到的破坏程度要比丙级建筑要小一些。在遭受该区域罕见的地震冲击时，乙级建筑的抗坍塌性能显著高于丙级建筑。

现行《抗震鉴定标准》中所提出的“建筑总体的抗震能力按量进行划分”，可以从不同功能要求的建筑物结构所具备的抗震能力进行划分。根据目前的地震设计标准，将丙型建筑结构的设计看作是符合基础承载力的结构，并将其承载力与变形能力相组合，作为建筑结构整体抗震能力的基础值；
对于乙类建筑具有高性能（包括变形）的建筑结构，其整体抗震能力应该小于基础数值。具体的取值高低可以依据其性能需求来决定。

3.1 隔震策略

3.1.1 地基隔震

在发生地震时，建筑物的地基是建筑物与震源发生最直接接触的区域，并且在震后会有直接的震动，所以在地基中安装隔震设施可以有效降低地震对建筑造成的影响。在建筑物的地基上安装隔震装置是对建筑物的基础部位进行隔震处理，一般情况下会在建筑结构的基础上铺设垫层，这样可以减少由于地震引起的震动，减少对建筑物的冲击。传统的建筑隔震施工技术主要是在建筑的地基上混合铺设黏土和砂土或在软黏土和砂土之间放设土工布。在我国建设工程技术进步的今天，有关部门在进行抗震措施的设计时，开发了改性沥青阻尼减震材料，这种材料能够有效取代黏土砂垫层。因为具有极强的隔震减震能力，可以有效地降低建筑构造在地震中受到的破坏，获得了广泛应用[3]。

3.1.2 悬挂隔震

所谓的悬挂隔震指的是将建筑物的大多数或全部的结构悬挂起来，在发生地震时，主体结构会跟随地壳的运动而晃动，这样可以减少地震对悬挂建筑结构的冲击，减少对建筑造成的影响。采用悬挂隔震的方法，其抗震性能较好，但因为需要投入大量的工程成本，普通的住宅建筑物不宜采用。

3.1.3 基础隔震

建筑结构的基础隔震指的是在建筑的基础以及建筑的上部结构中安装具有隔震作用的装置，从而有效预防地震产生的地震波传递到建筑的上部结构，有效提升建筑上层结构具有的抗震能力。因此，基础隔震措施适合于楼层较低或较多的建筑物，其形状也是具有规律性的建筑物，其主要功能是延长建筑物本身的自振周期。

3.1.4 层间隔震

层间隔震是在原建筑结构的基础上增加隔震减震装置，将其中部与原来的结构隔热层通过改造达到减震效果，当地震来临时，利用隔震和防震技术可以起到缓冲地震波的作用，并将地震所引起的地震波进行吸收和消解，进而很好地降低在发生地震时建筑结构受到的震动。

3.2 减震策略

3.2.1 无粘结钢支撑体系

无粘结钢支撑体系（见图3）是一种灵活的减震支撑体系[4]，它的作用是在建筑内部的钢支架和外面包裹的钢管的空隙处不粘结，或在建筑内部的钢支架和外部包裹的钢筋混凝土和钢管混凝土的缝隙中加入无粘结漆，从而形成滑移界面，在支架的中部布置外包层，在支架的两端留出合适的内部钢支架部位，并采用高强度的螺栓对框架结构进行加固，以增加建筑结构能够承受的压力和张力。但是，应特别指出，在采用非粘结钢支撑体系时，应对滑动接触面所采用的材质和几何参数进行严格地估算，允许内部钢支架与外部包裹层形成自由滑动范围，防止内部钢支架发生横向变形。

图3 无粘结钢支撑截面图

3.2.2 对建筑物采用消能减震装置进行抗震加固

针对地基的防震设计，相关工作人员在建设建筑工程之前，要根据防震设计的相关规定，在建筑的重要部位设置隔震设备，建筑工程完成施工后，若要进行结构的防震加固，就必须采用加大阻尼的方法，在多层建筑的上部结构、钢结构和隔震的中间部位增设消能减震装置，以改善结构的抗震性能。

3.2.3 合理布置结构的平面与竖向

在设计建筑结构时，为了实现隔震减震效果，必须注意建筑结构平面布局的作用，坚持平面简单、规则的原则，沿建筑的两个方向对称设计抗侧力构件，使建筑的两个方向具有同样的刚性，同时质心和刚心保持重合。若采用竖向布置，则各竖向构件应沿高度均匀地改变，并且保证连续性，避免侧向刚性和承载力发生变形。但要特别指出，在设计时，不得采用“头重脚轻”形状突然变化的立面以及不规则的平面，避免因结构应力集中而产生扭曲现象，从而影响建筑物的整体刚性[5]。

3.3 建筑场地和施工工艺的合理选择

在选择建筑所在的区域时，应尽量选择避开软土地基以及接近地震断裂带的区域。在建筑施工前，需要对建筑所在区域周边的地质条件以及水文实际进行相应的考察，为减少自然灾害对建筑物当地的经济造成损失，保障居民生命财产的安全，在选择建筑所在区域时应尽量避免在易发生地震的区域，另外也要避免修建工业基地。

对于建筑工程来说，主要的结构类型分为砖混结构以及钢筋混凝土结构。在具体施工过程中，需要根据结构的设计要求，选择适当的施工工艺。现阶段主要使用的结构是钢筋混凝土结构，因为它的承载能力较强，而且不容易发生变形。在抗震设计过程中，采用钢筋混凝土施工技术，其具有的优势是非常明显的。在进行抗震设计时，需要根据建筑所在的区域方案进行最后的确定，防止盲目开展施工，另外，还要根据建筑物的特性和抵抗地震等级来进行科学的选取。

总而言之，建筑工程管理对建筑结构隔震减震技术的关注反映出它的重要性，但它有一个不断发展和成熟的过程。对于地震频发区的建筑来说，抗震性能决定了其安全寿命，更关系到人们生命财产的安全。如何保证建筑工程的抗震性能，是建筑工程设计师必须认真对待的大事，需要充分掌握不同隔震减震技术的选用方法，科学设计。本文对建筑结构设计中常用的隔震减震技术进行了简要分析，可供设计师参考。