减震隔震技术及方案

一、减震技术简介 (1)

1.1 减震产品简介 (2)

1.1.1 屈曲约束支撑 (2)

1.1.2 粘滞阻尼器 (6)

1.2 减震方案及施工 (11)

1.2.1支撑式安装 (11)

1.2.2墙式安装 (12)

二、隔震技术简介 (17)

2.1 隔震原理 (17)

2.2 隔震技术优点 (19)

2.2.1 安全 (19)

2.2.2 经济 (20)

2.2.3 支座耐久性好 (20)

2.3 隔震方案及施工 (21)一、减震技术简介

减震耗能技术

= “小震经济、中震不坏、大震易修、余震不倒”

结构抗震设防的三原则：“小震不坏、中震可修、大震不倒”。采用屈曲约束支撑设防后，可以使建筑结构抗震性能更上一层楼，全面实现：

●小震经济

减震产品具有良好的滞回耗能能力，其在风载与小震下构件承载能力比传统结构提高2-10倍。相同承载力条件下与普通结构相比，其截面可大大减小，所以结构的抗侧刚度变小，周期相应加大。

2

ηα

0.45α

00.1g5g T6

根据上图的反应谱曲线可以看出，结构周期加长，其地震反应就减小，周期由传统抗震方案1点增加到减震方案2点，地震反应加速度有很大的降低；采用减震技术方案后结构的各阶周期都有增加，所以各阶振型的地震反应都减小，减小幅度一般为10%~25%。如果结构反应由地震工况控制，地震作用减小后，则所有构件的截面都可以减小，从而可降低结构的整体造价约10%~30%。

●中震不坏

减震器具有明确的屈服承载力，在中震下率先屈服耗能，可起到结构“保险丝”的作用，保护梁、柱、墙等重要的主体结构构件在中震下不屈服。此外，对于一般的中震情况，减震产品产生的塑性变形并不大，经过检查后大部分可以继续使用。

●大震易修

减震产品在弹塑性阶段工作时，变形能力强、滞回性能好，就如同一个性能优良的耗能单元，比同类结构抵御大震的能力更强，使结构真正做到了大震安全。大震后对于发生较大屈服变形的减震器也可以方便地更换，不影响建筑使用。而传统的梁端塑性铰耗能破坏，损坏部分的梁拆除时，需要大面积临时支撑楼板或拆除楼板，极大地影响建筑使用。

余震不倒

随着建筑物重要性的提高，部分建筑不仅要实现大震不倒的基本要求，还需要在地震后的余震中不会倒塌。通过合理布置减震器，保护了主体结构不产生过大塑性变形，从而保证竖向承重构件不会在余震中倒塌，建筑物就能实现“余震不倒”的效果，避免发生新西兰地震中的破坏。

1.1 减震产品简介

1.1.1 屈曲约束支撑

支撑是一种最为经济的抗侧力构件，它既能提高结构的刚度和承载力，又不影响建筑采光以及内部空间的分割，且施工方便。传统的带支撑框架有中心支撑框架CBF(Concentrically Braced Frame)和偏心支撑框架EBF(Eccentrically Braced Frame)。中震和强震时，CBF中的支撑会受压屈曲和受拉屈服，而屈曲会使受压承载力降低，从而了支撑作为抗侧力构件的耗能能力，因而大多数抗震规范都对中心支撑的抗震承载力进行调低。EBF通过偏心梁段的屈服，支撑的屈曲，可是结构具有较好的耗能性能。但是由于偏心梁段屈服，地震后结构修复较为困难，且支撑的刚度得不到完全发挥。

由于支撑屈曲不利于能量耗散，因此相对于传统CBF提出了一种新的可以避免支撑屈曲的体系，称为屈曲约束支撑钢框架BRBF(Buckling Restrained Braced Frame)，屈曲约束支撑（Buckling-restrained Brace）由芯材，外套筒以及套筒内无粘结材料组成（如图1所示）。虽然BRB形式多样，但原理基本相似，利用刚度较大的外套筒拟制中心芯板的屈曲。支撑的中心是芯材(Steel Core)，为避免芯材受压时整体屈曲，即在受拉和受压时都能达到屈服，芯材被置于一个钢套管(Steel Tube)内，然后在套管内灌注填充材料，该填充材料具有一定的强度，又有较好的密实性，且耐久性优越。为减小或消除芯材受轴力时传给填充材料的力，而且由于泊松效应，芯材在受压情况下会膨胀，因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层(Gap)。屈曲约束支撑在日本应用较多，在美国、加拿大和我国地区也有使用，我国地区也在推广这种支撑体系，并且在北京、上海、西安等在建建筑中已经开始使用。

屈曲约束支撑的发明解决了普通钢支撑的失稳破坏的问题，使钢结构支撑在受拉和受压时候性能一致（如图2所示），从而大大提高了钢材的利用率。屈曲约束支撑成为了结构的耗能元件，起到结构“保险丝”的作用。屈曲约束支撑结构延性性能好，耗能能力增强，且屈曲约束支撑施工方法与普通钢结构支撑相同，施工进度快，质量可靠。

图1 屈曲约束支撑的基本构成图

图2 普通支撑与屈曲约束支撑试验滞回曲线

当结构采用屈曲约束支撑后，建筑物经强烈地震后，主体结构将不会破坏，从而保护建筑物内人员安全和财产安全。

1）屈曲约束支撑特点以及工程应用

屈曲约束支撑（图3所示）是上海史狄尔建筑减震科技有限公司研发并具有完全自主知识产权、已在天津117大厦（图4）、人民日报社报刊综合楼（图5）、上海世博中心（图6）、上海虹桥交通枢纽磁浮车站（图7）、东方体育中心（图8）、上海恒丰中学加固改造、阿富汗Marriot酒店、北京嘉士唐药业物流仓库、兰州云天皇冠酒店等多个重大工程中应用的成熟产品。屈曲约束支撑通过多年的发展，已经形成了一套完整、成熟的设计、加工、安装体系，且已通过ISO9001质量管理体系论证。

屈曲约束支撑具有创新性，在最大变形能力、最大累积塑性变形、最大屈服承载力、最大应用长度等指标方面达到国际领先水平，具有推广应用价值。

图3 屈曲约束支撑产品构造图

图4 天津117大厦图5 人民日报社报刊综合楼

图6 上海世博中心

图7 上海虹桥枢纽磁浮车站

图8 东方体育中心

2）屈曲约束支撑的布置方式

屈曲约束支撑的立面示意图如图9所示，布置位置可根据建筑平面灵活布置，也可放置于隔墙中，可根据平面交通的需要采用V形、人字形或单斜杆布置，不会对建筑的使用功能及外立面产生影响。

(a)V形布置 (b)人字形布置

(C)单斜杆布置

图9 屈曲约束支撑立面示意图

1.1.2 粘滞阻尼器

粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘性液体所组成，如图所示。缸体内装有粘性液体，液体常为硅油或其他粘性流体，活塞上开有小孔。当活塞在缸体内做往复运动时，液体从活塞上的小孔通过，对活塞和缸体的相对运动产生阻尼，从而消耗震动能量。

图21 粘滞阻尼器构造及力学曲线图

从功能及研究历史上看来，粘滞阻尼器可以称得上具有以下几个优点：

1.粘滞阻尼器在其他领域已经有长久的发展，可见其具有良好的使用性及可行性，所以设计经验丰富，能在土木工程领域较好推广应用。

2.一般的减震阻尼器需要时常检验维修，在大震过后，更常常需要更换，而粘滞阻尼器基本上不需要维修，可长期安置，经过地震后，原则上阻尼器不致破坏，可不需更换，继续使用，即使需要更换，也相当容易。

3.粘滞阻尼器为一种消能装置，因此在消能的过程中必然会有温度升高或降低的情形，然而温度的变化对粘滞阻尼器的消能功能不会有太大影响。

4.粘滞阻尼器在被动装置的消能系统中，是一种速度相关型的消能装置，不会增加结构刚度而导致结构周期减少，且粘滞阻尼器能够增加结构阻尼比，有效减少结构反应（位移、速度、加速度）。

由于粘滞阻尼器只对结构阻尼比有影响，不附加刚度，因此对结构周期没有影响。粘滞阻尼器的布置型式：墙式、斜撑式、K字型等多种型式。

图22 墙式粘滞阻尼器示意图

图23 墙式阻尼器实物图（装修后）

1.2 减震方案及施工

1.2.1支撑式安装

2、清理预埋件表面的油污、铁锈等杂物；

3、对照图纸和安装位置，在下部预焊接人字型支撑的节点板；

4、焊接人字型支撑梁，确保金属型阻尼器的安装位置；

5、对照节点图将金属型阻尼器节点板与预埋件及人字型支撑梁定位，并按图纸要求焊接（围焊，如图4所示）或者高强螺栓连接（如图5所示）。

图26 支撑式安装—围焊连接

图27 支撑式安装—高强螺栓连接

1.2.2墙式安装

1、核对主体结构轴线，定位连接墙的细部尺寸；

2、按照图纸要求，先预留下悬臂墙的竖向钢筋，3、然后跟随周边梁柱构件，将上悬臂墙钢筋绑扎完毕，同时将上悬臂墙预埋件安放就位，将预埋件与上悬臂墙主筋点焊定位固定。

4、支吊模、浇筑上悬臂墙混凝土，然后进行下一楼层的施工。

5、对照图纸和安装位置，复核预埋件或者连接端板是否安装到位；

6、清理预埋件或者连接端板表面的油污、铁锈等杂物；

7、按照图纸要求，将阻尼器上下连接端板与预埋件或者连接端板进行围焊或者采用高强螺栓连接，如图28所示。

1.浇筑上悬臂墙

2.将阻尼器与上悬臂墙预埋件焊接

3.浇筑下悬臂墙

（黄色、绿色为已浇筑混凝土；白色为预留位置）

图28 墙式阻尼器安装顺序及实物图

二、隔震技术简介

隔震思想具有悠久的历史。我国朴素的隔震思想可以追溯到1406年开始修建的故宫，而我国对现代隔震的研究起步较晚，但发展较快。我国最早的橡胶支座隔震建筑1993年在汕头建成，从而拉开了我国现代隔震技术应用的大幕。

现代隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于1881年提出的，目前日本已经建造了几千栋的隔震建筑，全世界约有几十个国家在进行隔震技术的应用与研究，其中美国、法国、德国、英国、日本、新西兰等国均已在医院、金融、学校、通讯、消防、电力等重要建筑、公路及铁路的桥梁结构中采用隔震技术，在抵御地震灾害时起到了巨大的作用。在过去的30多年时间里，经过世界各国学者的不懈努力，隔震技术已经成熟。

2.1 隔震原理

建筑隔震技术不同于传统的抗震技术，其思想是“以柔克刚”，在建筑物上部结构与基础间或在地下室设置隔震系统，使建筑物与地基或下部隔开，因为隔

震层很“柔”，地震时能产生很大的变形，地震能量很难传递到上部结构中，隔震系统起到减轻振动和耗散地震能量的作用，上部结构振动反应减轻，实现地震时建筑物只发生较轻微的运动和变形，从而保障建筑物的安全。通常50%的地震能量会被消减掉。其示意如下图所示：

图29 隔震原理图

采用隔震技术后，因上部结构地震力50-70%被隔震垫消减掉，按照《建筑抗震设计规范》规范规定，隔震垫以上结构可以降度设计，地震力按照降低一度进行输入，梁、柱截面普遍减小，从而有效的减少隔震垫以上结构的钢筋、混凝土含量。增加费用部分为隔震垫及其构造价格。根据以往项目经验，采用隔震后预估造价为100-200每平方米。

经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两个方面。直接经济损失是指地震后建筑加固维修和重建的费用以及室内设备、物品维修和更换的费用。间接经济损失是指由地震造成的建筑、设备和物品等损坏导致的企业、工厂等不能正常工作和生产所带来的经济损失。地震所带来的直接经济损失是显而易见的，间接经济损失也是非常巨大的，间接经济损失有时甚至为超过直接经济损失。

隔震技术主要通过基底装置的设置，隔震了地震能量向上部结构的传递，同时结构变形主要集中在隔震层，上部结构近视平动，在遭遇较大地震时，上部结构的反应非常小，地震后仅需检修隔震层甚至不用检修（安全储备非常大，设计值通常值取实际值得1/4），震后隔震建筑及室内设备、物品不损坏或轻微损坏（不维修或简单维修即可使用），震后可以直接投入使用，具有比减震技术还好的长期经济效益，直接损失低，同时尤其内部有很多精密仪器及特殊仪器，如果遭遇地震，将损失惨重。因此，采用隔震技术可以从根本上避免或者大大降低直接经济损失，从而有效地降低间接经济损失，比减震技术更有优势。

2.2 隔震技术优点

2.2.1 安全

传统抗震建筑的设计原则是“小震不坏、中震可修、大震不倒”，通过保证建筑不倒塌，实现保护人的生命安全为最终目标。隔震建筑可以实现“双保护”：（1）保护建筑安全；（2）同时还可以保证建筑物内部家具、设备和仪器安全以及建筑装修不被破坏。这一点已经被多次大地震检验。

2013 年雅安芦山地震，芦山县人民医院医技楼采用隔震技术，地震后该楼完好无损，而该医院与该医技楼相邻不过5m 的其他楼损伤严重。电视台一套焦点访谈节目对采用隔震技术的芦山县人民医院医技楼进行了报道。

传统抗震建筑隔震建筑

图30 雅安芦山地震中的传统抗震建筑与隔震房屋对比2.2.2 经济

采用建筑隔震技术，从短期和直接的经济投入角度分析，主要增加了隔震橡胶支座和阻尼器的费用，这些费用依赖于隔震橡胶支座和阻尼器布置的效率，每个隔震器或阻尼器承担的荷载越大，效率越高；另一方面，由于采用隔震设计，上部结构所承受的水平地震作用大大减小，梁柱墙截面减小，钢筋混凝土用量减少，节约钢材和混凝土，降低工程造价。

根据工程实践经验，在九度区采用隔震设计工程造价明显价低；八度区工程造价有所降低，七度区持平或者略微增加造价，但结构的安全性显著提高，对建造于高烈度地震区的建筑，采用隔震技术，层数越多，且上部结构及隔震层设计合理，可以降低造价约3%～20%。

从长期角度分析，即考虑到未来该建筑遭遇较大地震的情况。传统抗震建筑遭遇地震时，其经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两个方面。直接经济损失是指地震后建筑加固维修和重建的费用以及室内设备、物品维修和更换的费用。间接经济损失是指由地震造成的建筑、设备和物品等损坏导致的企业、工厂等不能正常工作和生产所带来的经济损失。地震所带来的直接经济损失是显而易见的，间接经济损失也是非常巨大的，间接经济损失有时甚至为超过直接经济损失。在遭遇较大地震时，隔震建筑及室内设备、物品不损坏或轻微损坏（不维修或简单维修即可使用），因此，采用隔震技术可以从根本上避免或者大大降低直接经济损失，从而有效地降低间接经济损失。可以说，隔震建筑具有传统抗震建筑无法比拟的长期经济效益。

2.2.3 支座耐久性好

隔震橡胶支座是由叠层橡胶钢板组成，橡胶片和钢板按照严格的工艺条件生产加工，橡胶和钢板粘结的非常紧密，隔震橡胶支座四周还有一层1cm 厚的橡胶保护层，防止阳光、水和空气进入支座内部，并且隔震橡胶支座的工作位置是在隔震层，周围一般不会有阳光照射。

实验研究表明：单片橡胶在20℃环境温度下，10 年后基本性能降低到不能继续使用的状态；橡胶支座在20℃环境温度下，80 年后基本性能降低约25%，还可继续使用。

实际工程调查：澳大利亚墨尔本铁路跨线桥建于18 年，用1255×1255 ×25mm3 单层橡胶支座，19 年调查发现，劣化只发生在表面，深度不超过1.5mm；英国曾对1962 年建成的一座公路桥上的橡胶支座进行了调查，对20 年后更换下来的两个橡胶支座进行了压缩和剪切试验，试验结果发现：竖向弹性常数和水平弹性常数都与原先的设计值基本一致。

隔震橡胶支座耐老化能力很强。根据实验研究和工程调查，隔震橡胶支座的抗老化性能可以做到80 年仍可继续使用，力学性能也变化不大。而我国一般建筑的设计基准期为50 年。

2.3 隔震方案及施工

如果采用隔震技术，有地下室的单体可采用地下室顶板隔震，如图，无地下室部分采用基础隔震，如图所示。

如果隔震层不使用，只需满足检修与维护的使用空间要求即可，采用剪力墙结构的高层建筑需在隔震层用转换梁转换，梁高比较大，预计1.2m左右，多层框架的低矮建筑，隔震层梁高预计800mm左右，因此隔震层总高度约2m左右，可以利用地下室覆土厚度的空间做隔震层，覆土高度不够就需加深地下室开挖深度，或者增加室内外高差，通过踏步或者坡道处理室内外高差过大问题，后种方法就需建筑专业密切配合，但是经济性更好。

如果隔震层使用，可以将隔震层层高做高，层高控制在 4.2m 以内均可，最大化利用隔震层，经济性会好点，为了解决地下室开挖深度过深的问题，可以将隔震层做在室外地坪以上，做成半架空、部分架空、或者全架空层。

采用隔震技术以后，当建筑设置分缝时，缝宽比较大，需要做特殊处理，因此甲方在做建筑方案时，可以提前请专业的隔震厂家配合，以保证建筑方案考虑比较周全。

图31 地下室顶板隔震

图32 基础隔震（或隔震层与地下室合并）

图33 预埋钢板安装

图34 隔震支座下支墩混凝土浇灌

图35 吊装隔震支座

图36 隔震支座上预埋件就位及模板支撑

图37 上支墩（柱）底模支护

图38 隔震层完成内景

图39 隔震的正确构造做法