浅谈建筑结构隔震技术
目前各国抗震设计规范均以“大震不倒，中震可修，小震不坏”为抗震设计原则，以保护结构不遭到毁坏和保护生命安全为主要目标。传统抗震结构通过增强结构强度来抵抗地震，同时容许结构构件在地震时进入非弹性状态，具有一定的延性，以结构本身的损坏为代价消耗地震能量，减轻地震反应。从近10多年的地震震害损失来看，凡是按照抗震规范设计和建造的房屋，基本可以保证大地震发生时，房屋不倒塌。但按照传统抗震方式建造的房屋，在高烈度区常造成建筑构件尺寸过大，影响实际使用空间与建筑功能；另一方面，在发生超过设防烈度地震时，由于承重构件在地震中的不断损伤，累计到一定程度还会引起房屋倒塌，不能保证房屋在超大地震下的安全；在很多情况下，即使房屋没有倒塌，由于承重构件损伤较重，房屋也很难修复。尽管人员的伤亡大幅减少，但是经济损失较大。因此，单纯强调工程结构在地震下不严重破坏和不倒塌，已不是一种完善的抗震思想，不能适应现代工程结构抗震需求。
为了更有效地保障建筑物安全，国内外学者经过大量研究，提出了建筑隔震技术。建筑隔震技术是在建筑物基础或下部与上部结构之间设置由隔震器（橡胶隔震支座、滑移支座、FPS摩擦摆滑动支座）、阻尼装置等组成的隔震层，隔离地震能量向上部结构传递，减少输入到上部结构的地震能量，同时延长上部结构的自振周期，降低上部结构的地震反应，达到预期的抗震防震要求，使建筑物的安全得到更可靠的保证。国内外大量试验和工程经验表明：隔震技术能有效降低结构的水平地震作用，特别是在罕遇地震作用下隔震效果更好，上部结构的地震反应一般仅相当于不隔震时的20%—50%。隔震体系能实现建筑结构自身、非结构构件和建筑物内部设施“三保护”，确保震后建筑物无需修复，即可继续使用。常用的隔震装置有天然橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座。橡胶支座隔震系统装置简单、施工方便，被认为是隔震技术迈向实用化最卓有成效的体系。
一、建筑隔震技术的发展 1.国外隔震技术发展概述
建筑隔震技术的快速发展始于20世纪60年代。20世纪60年代中后期，新西兰、日本、美国等多地震国家对隔震技术开展了深入、系统的理论和试验研究，取得了较好的成果。70年代，新西兰学者 W. H.Robinson率先开发出铅芯叠层橡胶支座，大大推动了隔震技术的实用化进程。美国、日本首栋隔震建筑分别在1984年和1985年建成。到20世纪90年代，全世界至少有30多个国家和地区开展“基础隔震”技术的研究，并在美、日、法、新、意等20多个国家修建了数百座“基础隔震”建筑物，其中日本的技术发展最快、应用最为广泛。特别是在 1995 年阪神大地震中，采用橡胶支座隔震的建筑，经受住地震的考验，隔震性能良好，建筑隔震技术得到日本政府的大力推广。隔震技术不仅应用于政府办公大楼和医院，而且越来越多的住宅建筑也开始考虑使用隔震技术。日本成为隔震建筑最多、技术最成熟的国家，目前已建成近9000栋左右隔震建筑，其最高的隔震建筑高177米，隔震装置多用夹层橡胶隔震垫。早期隔震系统是由天然橡胶支座加阻尼器或铅芯橡胶支座组成，近期，使用高阻尼天然橡胶支座的隔震建筑越来越多。2011年3月11日9.0级东日本大地震中，隔震房屋以及室内仪器设备没有损坏，表现出优异的抗震性能。地震后，很多房子被民众要求建成隔震房屋。
2.我国建筑隔震技术应用进展
20世纪80 年代后期，我国学者开始重点关注橡胶支座隔震技术。在国家自然科学基金会等基金资助下，以中国建筑科学研究院周锡元和苏经宇、广州大学周福霖、华中科技大学唐家祥等学者为学术带头人，进行了橡胶隔震支座研制、隔震结构分析和设计方法、结构模型振动台试验、橡胶支座产品性能检验、检测技术、施工技术等全方位的系统研究工作，提出了橡胶支座隔震建筑的成套技术（周福霖，1997；唐家祥等，1993；周福霖，2004；苏经宇等，2001；周锡元等，1999；周锡元等，2002；李中锡等，2002）。
我国最早的隔震建筑是1993年由周福霖院士设计建造的汕头陵海路八层框架结构商住楼以及唐家祥教授设计的安阳市粮油综合楼。1994年5月，联合国工业发展组织权威专家将汕头隔震居民楼的建成誉为“世界建筑隔震技术发展的第三个里程碑”。2001年，建筑隔震与消能减震技术写入国标《建筑抗震设计规范》，标志着隔震消能技术在我国的成熟发展。汶川地震后新修订的《防震减灾
法》中，增加“第四十三条国家鼓励、支持研究开发和推广使用符合抗震设防要求、经济实用的新技术、新工艺、新材料”； 2010年新版的《建筑抗震设计规范》对隔震技术的使用范围做了较大调整，取消了对减隔震设计的诸多限制，规范提倡在“抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的建筑”中使用，更利于该技术的发展。2014年2月，住房和城乡建设部又发布新文件进一步加大了建筑减隔震技术应用的推广力度。经过近些年的环境转变，在标准、法规政策与技术措施方面都已经初步形成较为完善的体系，对建筑减隔震行业的发展形成了有力的支撑。
到目前为止，建筑隔震技术在全国各省市自治区几乎都有应用，包括云南、新疆、四川、陕西、甘肃、河北、江苏、山西、北京、山东、宁夏、天津、广东、海南、福建、内蒙、青海、上海、广西、河南、吉林、台湾等省市，已建成隔震建筑3000多栋。
云南由于地震多发，政府重视，同时研究推广早，开发了高性能的橡胶隔震支座，培养了较强的技术与设计力量，形成了研究、设计、产品提供、施工和后期服务较成熟的成套技术，所以云南隔震技术的应用走到了全国的前列，是我国建筑隔震技术应用范围最广的地区。目前，建成隔震建筑2000多栋，其中包括建成全球最大的隔震建筑、最高的隔震建筑群等一批标志性建筑。其次是四川、新疆、陕西、甘肃等地区建成隔震建筑100多栋，河北、江苏、北京、天津、山西、山东超过50栋，其他省市应用相对较少。
建筑减隔震技术是一项新兴技术，在国外大规模应用的历史也只有十多年。2008年5月12日汶川地震中甘肃陇南职工住宅楼和2013年4月20日雅安芦山地震中芦山县人民医院医技楼等隔震建筑，在地震中均表现出优异的抗震性能，隔震技术也因此逐步被公众和政府部门所认知。目前，住房和城乡建设部以及云南、山西、四川、新疆、重庆、陕西、海南等多个省市自治区相继出台系列规章，促进隔震技术的推广应用。 3.隔震技术发展方向
总体而言我国建筑隔震技术的研究和应用水平还很低，建筑隔震技术从设计、产品开发及施工技术等方面与发达国家相比尚有一定的距离，隔震技术的发展正处于发展成长期。未来我国建筑隔震技术在隔震理论体系、高性能隔震产品开发
和精细化施工技术的实施等方面均需要开展大量工作，建筑隔震技术必然向多样化、实用化和精细化发展。建筑隔震技术的发展将主要围绕以下几个方面逐步推进：
（1）由单一隔震元件组成的隔震体系向多功能混合隔震体系发展，从单一的水平隔震到三维隔震，从基础隔震到层间隔震都将成为未来发展方向。 （2）在产品开发方面将进一步开发高性能、高稳定性的隔震装置，橡胶支座方面开发适用于高层及大型公共建筑的大直径橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座、滑板支座以及低成本的适用于农村民居的隔震支座。除橡胶支座外，随着新材料的研发，开发其它新材料隔震支座，包括摩擦摆隔震支座（FPS）等。 （3）隔震技术应用方面，逐步由多层隔震向高层和大跨建筑隔震发展，从单一建筑隔震向街区整体隔震甚至城市整体隔震发展，隔震技术用于既有建筑抗震加固与改造也具有很好的应用前景。开发简单易行、经济适用的隔震装置解决农村民居抗震问题也是未来减轻地震灾害的重要途径。 二、建筑隔震技术特点 1.隔震装置
隔震技术是通过在上部结构与下部结构之间设置隔震层，以避开地震对建筑物的能量输入。近年来发明了种类繁多的隔震装置，按其原理不同可分为弹性支承与滑动支承两大类。弹性支承类隔震装置主要有铅芯橡胶隔震支座,夹层橡胶隔震支座和高阻尼橡胶隔震支座等,一般采用橡胶为柔性材料,地震时柔性材料发生较大水平变形，阻止了携带主要能量的高频地震波向上部结构传递，上部结构所受地震作用显著减小。而滑动支承类隔震装置内部有一滑动界面，当地震引起的惯性力大于最大静摩擦力时，上部结构即可在隔震装置的滑动界面上产生滑动，这样可以避免剧烈的地表运动传至上部结构，常见的有水平摩擦滑动隔震支座、滚动隔震装置和摩擦摆隔震支座。
橡胶隔震支座（普通橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座和高阻尼橡胶隔震支座等）既具有较高的竖向承载能力、大水平位移能力和复位功能，同时普通橡胶支座与阻尼器、铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座配合使用时可提供较大阻尼，由橡胶隔震支座组成的隔震体系理论、试验研究及工程应用已较为成熟，隔震效果显著，是目前建筑隔震的主流产品，国内外已经建成的隔震建筑90%以上采用
橡胶隔震支座，我国建筑隔震采用橡胶支座的比例更大。建筑橡胶隔震支座在我国的应用较为成熟，标准较为完善。目前已颁布的相关标准有：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS 126:2001）、《建筑隔震橡胶支座》（JG119-2000）、《橡胶支座第1部分：隔震橡胶支座试验方法》（GB20688.1-2006）、《橡胶支座第2部分桥梁隔震橡胶支座》（GB20688.2-2006）、《橡胶支座第3部分:建筑隔震橡胶支座》
（GB20688.3-2006）、《橡胶支座第4部分普通橡胶支座》（GB20688.4-2006）。正在编写的标准有《建筑隔震施工与验收规范》、《建筑隔震设计规范》等。 任何一项与建筑结构安全相关的新技术的推广，通常都将经历研究、试验、试点再到广泛应用的较长过程。抗震新技术尤其要经过发生概率较低的大地震的实际检验方可推广应用。橡胶隔震支座经历了近50年的研究发展，目前橡胶隔震支座结构简单、造价合理、理论和试验研究成果比较丰富和完善，且经历多次地震检验效果明显，标准相对健全，技术较成熟，已进入推广应用期。在今后较长时期橡胶隔震支座将成为建筑隔震依托的主要产品。目前，我国建筑上使用最多的是普通橡胶支座和铅芯橡胶支座。普通橡胶支座阻尼较小，地震作用下的水平位移较大，但变形后的恢复性能好。铅芯橡胶支座在罕遇地震作用下水平位移较小，但是对于高频波的隔震效果相对较差，且上部结构高振型影响较大，针对两种橡胶支座的性能特点，通常采用两种橡胶支座合理组合的建筑隔震体系可以达到较好的隔震效果，同时隔震层罕遇地震下的变形也能得到较好的控制。由于铅芯橡胶支座在生产和使用过程中存在环境污染风险，所以国际上开始探索使用高阻尼橡胶支座作为升级替代产品，高阻尼橡胶支座阻尼和水平刚度依赖于应变频率和幅值，对高频波的隔震效果较好。高阻尼橡胶支座对橡胶材料性能要求较高，影响支座性能的因素较多，在试验研究及结构设计上尚有许多难点需要突破。另外，由于市场工艺水平的限制，过去我国建筑隔震支座产品尺寸较小、性能不稳定、产品繁杂，随着工艺水平的提高，标准化的高性能大尺寸隔震产品必将成为主流，以适应更高的建筑抗震性能要求。
橡胶隔震支座的应用领域较为广泛，即可用于隔离地震引起的振动，也可用于隔离设备振动或环境振动。在建筑工程上橡胶隔震支座广泛用于医院、学校、通讯、消防、电力、金融、博物馆、核电站等重要建筑，以保证地震后结构和设
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