第1章 隔震结构的概念与原理
随着我国综合实力的增强，人们对工程结构的抗震安全性要求日益提高。隔震结构因具有减震效果好、震后损伤小和易修复等优点，得到越来越广泛的应用。本章将从隔震结构的基本概念出发，讲述隔震体系的缘起和发展历程，阐明隔震结构的基本原理和组成，按隔震装置类型和隔震层位置进行分类，总结国内外经受实际地震考验的隔震结构实例，介绍隔震结构的标准体系。
1.1 隔震结构的基本概念
1.1.1 隔震体系的提出
地震是一种常见的自然灾害，其具有突发性、瞬时性等特性，被视为对人类威胁*大的自然灾害之一。地震造成大量房屋倒塌和人员伤亡，据不完全统计，进入21世纪以来，地震已经造成超过11万人死亡。在人类与大自然抗争的过程中，随着科技的进步和时代的发展，经过不断探索与总结，逐步形成了抗震设计理论与方法。
现代抗震设计理论建立于20世纪初期，随着人们对地震动特性和结构动力特性的不断深入研究，抗震设计理论的发展经历了三个主要阶段：**阶段基于强度的设计，通过增加材料强度来抵抗地震力；第二阶段基于弹性反应的设计，强调结构在地震中的弹性反应；第三阶段基于性能的抗震设计，综合考虑结构在不同地震强度下的变形、损伤和功能恢复能力，以实现更加灵活和精确的设计，确保建筑的安全性和经济性[1]。目前，包括我国《建筑抗震设计标准》(GB/T50011—2010)[2]在内的各国规范，大多采用基于性态的抗震设计理论，即通过适当的设计，使建筑结构形成延性结构体系。延性结构体系，通过控制结构的刚度，在小震下有足够的强度承受地震作用，使结构仅发生轻微破坏；在中震下结构可发生损伤，但是仍处于可修复的状态；在大震下部分结构构件进入塑性状态，但不会发生倒塌。延性结构的抗震***要取决于其塑性变形能力和在往复地震作用下的耗能能力。但延性结构的抗震是以结构损伤、破坏，甚至是倒塌为代价。
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对结构的抗震性能提出了更高的要求。一方面，建筑结构内部的装修、精密仪器和重要设备等日趋复杂和昂贵，如博物馆、核电站、医院、机场和高铁车站等重要建筑，需要控制建筑结构内部非结构构件和设备的损伤；另一方面，建筑的使用功能也越来越多元化，需要保障震后建筑在规定的时间内恢复功能。由于地震动的不确定性和结构非弹性破坏的复杂性，人们难以准确预知结构在地震下的破坏程度。然而，采用传统抗震思想设计的结构，需要靠自身结构构件的塑性变形来吸收地震能量。在强震作用下，无法保证内部设备、贵重物品等的完好，也难以保证震后建筑的正常使用功能。依靠结构构件发生弹塑性变形来消耗地震能量，以保证结构大震安全的延性结构体系，已不能完全满足实际需要。
为了解决这一难题，世界各国的科研人员和工程技术人员进行了大量研究，隔震技术由此发展起来。隔震技术的基本思想是在建筑中设置柔性隔震层，阻隔地震能量向上部结构传递，使得大部分能量被柔性隔震层所吸收，从而降低上部结构的地震响应，提高结构的安全性。William H.Robinson在《工程隔震概论》中指出，地震对结构的破坏程度大体可以分为轻微、可修复(修复费用*多为造价的30%)和不可修复三类。隔震技术的使用，可以很大程度地将破坏程度由不可修复减小到轻微破坏。隔震结构体系的提出，符合人类新的发展需求，为人类与地震的抗争提供了一条全新的思路。
1.1.2 隔震体系的历程
隔震的概念自被提出以来，经历了一个理论日趋完善、技术愈发成熟、性能持续优化的过程，总体而言可以划分为以下四个发展阶段。
1.1.2.1 古代隔震意识的萌芽
中国古建筑的柱础连接就是一种原始的隔震意识萌发。柱子浮搁在础石上，一些柱脚与基台之间有榫墩或木楔作柱座(管脚榫)，形成柔性“铰接”，既能防止木柱受潮、朽蚀，又能起到部分隔震消能的作用[3]。在河南的圣寿寺塔，其结构基底砌筑条石、整体片石或块石。条石、片石或块石之间柔性叠砌，容许滑动或摩擦，地震时形成隔震或消能基础，能够衰减结构的地震反应，如图1.1所示。
图1.1 河南圣寿寺塔基座隔震
建于唐代的西安市小雁塔，其基础与地基连接处不是一般所采用的平面结构，而是采用圆弧形的球面，使得塔身与基础坐落于圆弧球面上，形成了一个类似“不倒翁”的结构，这种结构让它历经两次较大地震而不倒。
建于明代的故宫建筑群，虽然处在地震区内，但受到的地震灾害却很少。在1975年开始的故宫设备配管工程中，从中枢部位地下5～6m处挖掘出带黏性的物质，检查结果表明，黏性物质是熟糯米与石灰的混合物，如图1.2所示。故宫的主要建筑都建在大理石高坛之上，下面铺设一层柔软的糯米石灰层就能够在一定程度上把建筑物与地震隔离开来，使建筑物免遭震害。在唐山大地震时，故宫仅有神武门柱檐位移4cm，交泰殿柱脚位移2cm，其他基本完好。
图1.2 故宫慈宁花园建筑遗址基础
隔震意识的萌芽不仅出现在中国，在日本也有所体现。根据史料记载，建于1252年的日本镰仓大佛(图1.3)，在1923年关东大地震时，台座崩损，佛像前倾未倒，仅向前滑出约40cm，大佛滑而不倒体现了基础隔震的萌芽。
图1.3 日本镰仓大佛
1.1.2.2 近代隔震理念的产生
近代以来，许多学者都意识到隔震技术在结构抗震中的重要作用。1881年，日本学者河合浩藏撰文介绍了一种带有隔震思想的建筑体系[4]，如图1.4所示。他认为通过在地基上横竖交错放几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在上面盖房的方式，削弱地震能量向建筑物的传递就可以建造一种在地震时也不震动的房屋。1909年，在美国旧金山地震之后，英国医生J.A.Calantarients(卡兰特伦茨)提出了在基础与上部结构之间用滑石粉或云母作隔震层，当地震发生时建筑物滑动以隔离地震的隔震方案，如图1.5所示。
图1.4 河合浩藏的隔震方案 图1.5 卡兰特伦茨的隔震方案
1921年，美国设计师Frank Lloyd Wright(F. L. 赖特)在日本设计建造了帝国饭店，该建筑被认为是较早一批涉及隔震理念的现代建筑之一，并且经受住了1923年关东7.9级大地震的考验[5]。1927年，日本的中村太郎认识到在隔震系统中吸收地震能量的必要性，并提出在底柱上端加侧向阻尼器，作为地震时的吸能装置。1933年，美国*先提出柔弱底层的隔震构想。但是该方法使得结构底层水平刚度远小于上部结构，在水平地震作用下，底层柱子的位移很大，远远超过了柱子的承受能力，*终会导致结构倒塌破坏。
上述隔震理念产生的时间早于地震工程学和结构抗震设计理论建立的时间，所以结论并不完全合理、可靠，但是已具备了现代隔震系统的基本要素，隔震体系已经逐渐有了较为清晰的轮廓。
1.1.2.3 现代隔震技术的发展
20世纪60年代，新西兰、日本、美国等地震多发国家开始投入大量人力、物力，对隔震体系开展深入的理论分析和试验研究。随着研究的不断深入，隔震技术取得飞速发展，并建成许多有代表性的隔震建筑。
1963年，南斯拉夫斯科普里市的大部分建筑物因地震受到毁灭性破坏。1969年，在恢复重建的过程中，由瑞士援建的裴斯秦洛齐(Pestalozzi)小学是*早的现代意义上的基础隔震建筑[6]。它由Alfred Roth(艾尔弗雷德?罗思)设计，是一幢三层钢筋混凝土结构的建筑，隔震支座采用了天然橡胶块(70cm×70cm×35cm)。隔震支座的布置如图1.6所示。但是天然橡胶块的橡胶层中未插入钢板，在上部结构重力作用下，容易发生侧向鼓出；同时，天然橡胶块的竖向刚度小，在地震中存在上下弹跳和前后倾覆摇晃的问题，因此这次尝试并不算成功。
图1.6 裴斯泰洛齐小学隔震示意图(单位：mm)
20世纪70年代后期，法国提出了薄橡胶与钢板多层交错，使用竖向刚度很高而水平刚度很低的叠层橡胶支座。例如，马来西亚的拉穆巴斯克小学、南非的库贝赫核电站和法国的克吕阿核电站等，都采用了叠层橡胶支座。
1980年，新西兰学者W.H.Robinson(罗宾逊)等率先研发出了实用的隔震装置—铅芯叠层橡胶支座，克服了普通橡胶支座阻尼小的缺陷，大大推动了隔震技术的实用化进程。1981年，在新西兰完成的威廉-克莱顿(William Clayton)政府办公大楼，是世界上*座采用铅芯叠层橡胶支座的建筑[7]，如图1.7所示。铅芯叠层橡胶支座的成功应用，标志着隔震技术进入工业化阶段。目前，叠层橡胶支座已经广泛应用于隔震建筑物之中。
图1.7 威廉-克莱顿政府办公大楼
1982年，日本千叶县建成日本的**座隔震建筑—八千代台住宅，如图1.8所示。该建筑是两层钢筋混凝土框架结构，建造时将直径为300mm的6个天然叠层橡胶支座放在基础位置形成隔震层。1985年，美国加州建成美国的**幢隔震建筑—福希尔法律与司法中心大楼。它是四层钢框架结构，采用了98个高阻尼叠层支座，是世界上**座采用高阻尼叠层橡胶支座的建筑，如图1.9所示。
图1.8 日本八千代台住宅 图1.9 美国加州福希尔法律与司法中心
1.1.2.4 现代隔震技术的成熟
20世纪90年代，随着隔震分析理论日渐成熟、新型隔震技术不断涌现，美国、新西兰和日本等国家相继颁布了更加详尽和严格的隔震结构设计标准和隔震支座的质量验收标准。
在理论研究方面，各国学者对其不断完善。分析模型已经由简单的单质点模型、多质点模型发展到三维空间模型[8]，Nagarajaiah等于1989年开发了隔震结构专用的三维非线性动力分析程序3D-BASIS。美国学者J.M.Kelly、新西兰学者R.L.Skinner等，系统地总结了隔震装置和体系的构成，相继编写了关于橡胶隔震系统理论研究与应用的专著。20世纪90年代初期，广州大学周福霖等对橡胶支座隔震技术在国内工程中的应用进行了探索，1995～1997年间，完成了橡胶支座隔震框架的振动台试验和大量常用的橡胶支座性能试验。同期，华中科技大学唐家祥等对橡胶支座隔震装置和体系进行了理论、试验和应用研究。
在隔震技术方面，隔离三向地震动的隔震支座是近年来研究的热点。A.Kashiwazaki等[9]研究了一种由橡胶支座与空气弹簧组合而成的三维隔震支座；M.Kagayama等[5]针对核电站提出了一种由线缆加强空气弹簧、防摇摆装置和黏滞阻尼器组成的三维隔震系统；欧进萍等[10]基于铅芯橡胶隔震垫、组合碟形弹簧和钢板阻尼器，提出了一种新型三维隔震装置。
随着隔震技术的发展，隔震装置已经广泛应用于办公楼、公寓和高层建筑。截至2014年，日本共有各类型隔震建筑约8600幢，其中约4700幢为规模较小的*栋住宅，约3900幢为其他建筑，主要是集合住宅[11]。据不完全统计，截至2024年底，我国已累计建成隔震建筑超过20000幢。
1.2 隔震结构的基本原理
1.2.1 隔震技术的原理
传统抗震建筑的设计思想立足于“抗”，即通过结构的强度来抵抗地震作用，或者利用结构的塑性变形能力来消耗地震能量，这种设计理念在我国的抗震标准中，具体表现为“三水准、两阶段”设计方法。要提升结构“抗”的能力，必然需要提高材料强度、增大构件截面等，而地震作用是一种惯性力，结构质量增加也意味着更大的地震作用；同时，一味地增强结构在经济方面也不合理。传统抗震建筑刚接于地面，地震作用在向上传递的过程中将得到放大，造成建筑物在地震下晃动时各楼层的变形均较大[图1.10(a)]，过大的变形轻则导致建筑物内人员震感强烈，重则引发结构构件的破坏。
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