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减震VS隔震，相关概念、适用条件、规范原理、经济性对比

发布于：2022-08-19 09:36:19 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

本文介绍结构减震与隔震，限于篇幅，将其分为上下两篇。在叙述的过程中，尽量做到通俗易懂，即使是涉及到专业的知识术语也尽量简明表达，相信这份关于减震与隔震的知识大餐，老少皆宜！

本期将重点介绍几个相关的概念，为下一期作铺垫。

★ 上篇：本篇目录 ★

01	名词解释--减震结构与隔震结构
02	哪些建筑采用减震和隔震技术
03	地震烈度和地震震级
04	关于低层、多层、高层和超高层的划分

01、名词解释——减震结构与隔震结构

减震结构：

通俗的讲，就是在建筑内部（一般家里有砖砌隔墙的位置）安装减震装置，这些减震装置在地震或者强风作用的时候开始工作，耗散传到建筑里的震动能量，从而更好地保护建筑结构的整体安全，保证人民的生命财产安全。

专业角度讲，减震结构是指结构在承受地震力的主要竖向和水平向构件间增设减震装置的结构。一般的，它不改变结构的抗侧力体系（虽然位移型减震装置能提供抗侧刚度），减震装置的主要减震作用就是为结构提供一定的刚度和附加阻尼比，从而吸收一定的地震能量，减轻结构的地震响应，保护主体结构安全。

减震装置主要包括位移型、速度型和复合型三大类（图1.1~1.4）。

其中，位移型包括屈曲约束支撑、摩擦阻尼器和金属阻尼器等，可以为结构提供抗侧刚度的同时附加一定的阻尼比，但是屈曲约束支撑一般设计为小震弹性不耗能，只有中大震下才进入屈服耗能。

速度型包括粘滞阻尼器和粘滞阻尼墙等，为结构提供附加阻尼比，其耗能效率比位移型要高，但无法提供抗侧刚度。

复合型包括粘弹性阻尼器和粘弹性阻尼墙，其提供的耗能效率及抗侧刚度则是介于位移型与速度型之间。

屈曲约束支撑

摩擦阻尼器

金属阻尼器

图1.1 位移型减震装置

粘滞阻尼器

粘滞阻尼墙

图1.2 速度型减震装置

粘弹性阻尼墙

图1.3 复合型减震装置

图 1.4 减震产品在实际工程中的应用情况

隔震结构：

通俗的讲，就是把建筑放置在隔震垫上，隔震垫一般在靠近基础的位置，这一层隔震垫在水平方向比较柔，这样当地震发生的时候，当下部的建筑基础随大地一起晃动的时候，上部结构由于有这一层隔震垫而不会随之一起震动，这样就达到了隔离地震的作用，所以就叫它隔震结构。

专业角度讲，隔震结构是指在结构的首层或者在需要隔离的结构高度（地上某几层高度设置隔震层，高位隔震一般多见于地铁上盖项目）设置隔震层，将上部结构和基础隔离，从而减少地震能量向上部结构的传递。目前，隔震结构一般只隔离水平地震作用，竖向地震作用仍需按照原烈度规范相关规定进行计算。

此外，对于隔震系统来讲，不仅仅局限于建筑的层间隔震，还包括有连廊隔震、屋架隔震及局部隔震等情况，其应用的主要产品都是橡胶隔震支座。

隔震装置主要包括天然橡胶隔震支座、铅芯隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座以及平板支座等（图1.5~1.7）。

图1.5 常见的隔震装置

图1.6 建筑层间隔震一隅

图1.7 隔震橡胶支座安装过程

以上介绍的这些产品也是本公司主营的减隔震产品之一，同时配备强大的设计分析能力，相信合理而经济的减隔震结构设计，可以更好地服务于您的建筑结构安全及工程造价。

02、哪些建筑采用减震和隔震技术

那么哪些建筑较常采用减震和隔震技术呢？一般的，常见的减震及隔震建筑包括：幼儿园、中小学校、医院和大型商场等甲、乙类建筑以及超高层、复杂高层、高烈度区高层住宅等（图2.1~2.3）。

对于甲乙类这些建筑的共通点就是突出了两个字“重要”（这些建筑破坏后会产生较大的人员伤亡及财产损失，属于重要抗震设防的建筑类别），而对于超高层以及复杂高层高烈度区高层住宅的共通点则是突出了两个字“经济”（采用减隔震技术可以获得更大的经济效益）！

图2.1 中小学学校建筑（不含大学）

图2.2 医院、医疗中心等建筑

图2.3 超高层建筑及复杂高层建筑

当然，甲乙类建筑当然不只包括这些，还有包括很多防灾减灾建筑、城镇给水排水、燃气、热力建筑、电力建筑、交通运输建筑和邮电通信、广播电视建筑等。

而对于高层以及超高层建筑引入减震技术，则能够创造出更多的经济效益，这个也是建设单位甲方爸爸喜闻乐见的。

03、地震烈度和地震震级

减震和隔震的对象主要针对就是地震，所以不得不来说说地震。用于建筑结构设计的地震，是按照烈度（地震造成的破坏程度）进行划分的，称之为地震烈度，烈度越高地震的破坏程度就越大。而发生地震时，新闻报道以及国家地震局发布的地震信息则是按照地震震级（地震能量）进行划分的，震级越大，其地震释放的能量就越大。地震烈度和震级二者是不同的！

地震烈度不但与震级有关，还与震源深度、震中距离，以及震区的土质条件等有关。一次地震只有一个震级，但它所造成的破坏，在不同的地区是不同的。也就是说，一次地震，可以划分出好几个烈度不同的地区。这与一颗炸弹爆后，近处与远处破坏程度不同道理一样。炸弹的炸药量，好比是震级；炸弹对不同地点的破坏程度，好比是烈度。地震烈度与地震震级的关系如图3.1所示。（该段引自百科，百科的词条一般都是大学教授写的，具有很高的专业水准）

图3.1 中国地震烈度简表

注：（表中所列房屋倾倒或倒塌对于结构设计和国家规范来说是不允许的！）

科学家们正是根据我国不同地区的地震情况，对地震造成的破坏程度情况划分为不同的地震烈度。关于自己家乡的抗震设防烈度，大家可以查阅《建筑抗震设计规范》的附录A，看看你们家是属于哪个烈度区。一般的，地震烈度越高，那么造房子的成本代价就越高，因为要采用更多的措施去抵抗更强的地震破坏，同时也是减隔震发光发热的地方，其能够有效减少地震造成的结构损坏。

我们广大的结构工程师设计的建筑结构正是基于现有的国家规范规定的地震烈度进行结构设计的。

04、关于低层、多层、高层和超高层的划分

之所以介绍这几个关于房屋高度的名词，是因为在进行结构设计时，房屋的高度或者层数在一定程度上影响着结构的基本自振周期，而基本自振周期则直接影响着结构所受到的地震作用大小情况，也直接影响着结构的减震和隔震情况。

1）、按国家现行规范《民用建筑设计统一标准》GB50352-2019第3.1.2条的规定，民用建筑按地上建筑高度或层数进行分类：

低层或多层：建筑高度不大于27.0m的住宅建筑、建筑高度不大于24.0m的公共建筑及建筑高度大于24.0m的单层公共建筑为低层或多层民用建筑；

高层：建筑高度大于27.0m的住宅建筑和建筑高度大于24.0m的非单层公共建筑，且高度不大于100.0m的，为高层民用建筑；

超高层：建筑高度大于100.0m为超高层建筑。

2）、按照1）中规范的前身——《民用建筑设计通则》GB50352-2005第1.0.5条的规定（图4.1~4.4）：

低层：1~3层；

多层：4~6层；

中高层：7~9层；

高层：10层以上的住宅为高层或者总高度超过24m的公共建筑（不包括高度超过24m的单层主体建筑）；

超高层：高度超过100m的建筑。

图4.1 低层建筑

图4.2 多层建筑

图4.3 高层建筑

图4.4 超高层建筑

3）、再来看看，从结构设计的角度考虑，结构规范对于高层建筑的定义。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第2.1.1条的规定：

10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑。

房屋高度是指自室外地面至房屋主要屋面的高度，不包括突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。

该房屋高度是从结构的角度进行的定义，查阅了其他建筑结构规范，基本上是与此一致的。此外，在《全国民用建筑工程设计技术措施》中指出，在重点文物保护单位和重要风景区附近的建筑物、在航线控制高度以内的建筑物，其高度系指建筑物的最高点，此时就包括突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。所以，对于超高层建筑，一般从航空控制高度角度来计算其建筑高度，就是算到建筑的最高点位置，比如前段时间比较出名的深圳赛格大厦，建筑高度就算到天线的顶部（图4.5）。

图4.5 深圳赛格大厦的建筑计算高度

本期限于篇幅，从概念入手，介绍了关于减震和隔震的相关名词以及常见的减震和隔震建筑，为接下来进一步深入介绍减震和隔震作铺垫，尽情期待下一篇。

下篇：本篇目录

房屋高度与基本自振周期的关系

结构减隔震的规范原理

减震与隔震的经济性等对比

05、房屋高度与基本自振周期的关系

上一篇的结尾介绍了我国关于房屋高度的划分，房屋高度与结构的基本自振周期密切相关，由于是进行统计学层面的分析，要具有一定的代表性和普遍性，所以本节笔者也是搜集了相关的文献资料，对房屋高度与基本自振周期的关系进行了一个归纳汇总。

1）规范中的规定

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012附录F如图5.1所示，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第C.0.2条的规定（图5.2）。从规范给出的预估计算公式可以看到，一个是采用与结构的高度和宽度相关的关系式（或者楼层数相关），另外一个则需要计算结构的顶点位移值进行判断。前者操作简单，后者略显复杂，但是在精度上后者应高于前者。

此外，翻阅旧版高规（2002版本）表3.2.6-1注（图5.3）中提到关于基本自振周期的计算公式，则只与楼层数相关，操作简便。

图5.1 荷载规范中结构基本自振周期计算公式

图5.2 高层规范中结构基本自振周期计算公式

图5.3 2002版高规表3.2.6-1注中关于基本自振周期的计算

2）学术界的观点

根据徐培福大师的论文《高层建筑结构自振周期与结构高度关系及合理范围研究》中统计的414栋高层建筑统计得出的计算公式，如图5.4所示，结构的基本周期T1则跟结构的高度有关，根据统计回归得出了一个参考取值范围，进行周期预估的操作简便。

图5.4 徐培福论文中关于我国高层建筑基本周期的估算公式

此外，根据学术界的一些其他观点，其根据实测统计，同时忽略填充墙布置、质量分布差异等，初步设计时可按下列公式估算（与荷载规范第F.2.2条相同思路）：

另外，在实测统计基础上，再忽略房屋宽度和层高的影响等，有以下更粗略的公式（只跟楼层数相关，跟荷载规范F.2.1条及旧版高规的规定基本吻合）：

其中砖混结构的基本自振周期约为0.3s。

以上汇总了规范以及学术界关于结构基本自振周期的观点，由以上的观点可知，估算结构的基本自振周期T1与结构的结构体系有关，其可以通过结构的楼层数、高度宽度或者假想的结构顶点位移进行预估，精度随着计算的复杂程度而有所提高。

06、结构减隔震的规范原理

前面围绕着减隔震结构，分别从减震及隔震的概念、地震烈度与地震震级、房屋高度与结构基本自振周期以及减隔震建筑的常见建设工程，阐述了减隔震结构相关的几个重点知识，同时也为减隔震的理论原理作了铺垫。该节就从规范理论的角度对减隔震的原理进行阐述，对比二者的减隔震效果。

1）减隔震的规范原理

目前用于结构设计计算的CQC法正是基于规范反应谱曲线进行的，即《抗规》第5.1.5条的地震影响系数曲线，图6.1所示。由于结构的自振周期（尤其是基本自振周期）反应到曲线上即是地震作用的大小，所以不同高度不同结构体系导致出现的不同自振周期的结构在同一烈度下就能表现出不同的地震作用。根据图6.1的曲线可知，基本自振周期越小的结构地震响应将越大（曲线的速度段及位移段，加速度段则保持不变），相反地，高层及超高层结构的地震影响系数则随着结构周期的增加反而降低，但是由于高层及超高层结构自身自重比较大，这从另外一个方面加大了地震作用，可谓此消彼长。

图6.1 规范反应谱曲线

一般的，减震结构较常见的形式是给结构附加一定的阻尼比，常见的钢筋混凝土结构的阻尼比为0.05，钢结构的阻尼比为0.04（低于50m），附加阻尼比正是通过地震影响系数中与阻尼相关的系数的降低来达到减小地震影响系数的目的从而减小地震作用，图6.2所示。这就是减震结构的规范原理，通过附加阻尼比来降低地震影响系数！

图6.2 各参数均与阻尼比相关

同样的，借助图6.1的规范反应谱曲线，隔震结构则是通过延长结构的基本自振周期的形式去降低地震作用，从该曲线可以看到，当结构的自振周期超过特征周期后，地震影响系数是随着自振周期的增加而不断减小的，而常见的隔震结构均能把一个多层的零点几秒周期的结构拉长到2~3秒，其地震影响系数将得到大幅度的降低！这就是隔震结构背后的减震原理！

2）减隔震降低地震作用的实际情况对比

以上都是理论的一个介绍，接下来笔者想通过例子来实际对比减震及隔震的减震效果。

以设防烈度为8度0.2g，第三组，Ⅱ类场地为例，其场地特征周期Tg为0.45s，假设某多层钢筋混凝土框架（4~6层某中小学校建筑，结构原阻尼比为5%）结构基本自振周期为0.4s（根据第05节中的相关公式预估），根据以往做过的大量工程实例，一般的通过隔震后，其自振周期可延长到2s左右，此外规范规定隔震结构最大降度不得大于一度。而对于常规的减震框架结构而言，一般常见的附加阻尼比在3%~5%，在这里取中间值4%进行考察。

减震及隔震后的地震影响系数结果如表6.1所示。另外，考察基本自振周期大于Tg的情况，假设另一多层钢筋混凝土框架的基本自振周期为0.6s，则其减震及隔震后的地震影响系数结果如表6.2所示。

由表6.1及6.2可知，隔震结构在隔离水平地震作用上产生了很显著的效果，地震影响系数得到了很大程度的降低，可减小约一半以上；减震结构则通常降低约20%，约是隔震结构的一半。从这个角度看，隔震结构的地震作用要远低于减震结构。

3）附加阻尼比减震效率的考察

虽然本期主要考察的是减隔震的对比，但是既然提到了减震结构中附加阻尼比的减震情况，在此也不妨考察下减震结构中关于附加阻尼比的最优解，也算给减震开个小灶。

为此，也以 2）中的情况为例（钢筋混凝土结构原阻尼比取为5%），增加了基本周期为1.0s的情况，三种结构在不同附加阻尼比（根据《建筑消能减震技术规程》第6.3.6条最大附加阻尼比不超过25%，故最大取到25%进行考察）情况下的减震率及减震效率如图6.3、6.4所示。

由图6.3及6.4可知，减震结构，随着附加阻尼比的增加，减震效率逐步降低，其中附加5%阻尼比（含5%）以内的减震效率增加的幅度最佳，由此可知， 若结构需求的附加阻尼比为5%（含5%）以内时，则可以获得最佳的经济效益。

图6.3 不同附加阻尼比下的减震率

（ 说明：α0为初始地震影响系数，αi为附加阻尼比后的地震影响系数）

图6.4 不同附加阻尼比下的减震效率

（说明：αi+1为αi的基础上附加1%阻尼比后的地震影响系数）

07、减震与隔震的经济性等对比

结构设计应当做到经济适用，合理的结构布置不但可以实现较好的抗震性能，也能节省一定的工程材料，体现出设计水平的价值。同样的，优秀的减隔震设计方案，也能为结构创造出更大的经济效益。

笔者查阅了相关的文献资料，同时结合工程实践经验，本节将减震与隔震在常见的多层框架项目上的总造价上进行了一个汇总比较（表7.1）。由表7.1可知，在高烈度多层框架结构上，减震结构较隔震结构的总造价要低,可节省约10%的总造价。但对于高层的减隔震结构（文献6），其造价差值随楼层高度的增加而逐渐减少，甚至趋于相等（如果考察全寿命周期，包括震后修复等时）。

另外要提的是，根据工程实践经验，隔震层增加的造价均摊到建筑面积上，每平米约增加200~300元（含隔震支座的造价）。

此外，减隔震在施工工期上也存在一定的差异，减震结构对项目工期无影响，甚至可能是加快了工期（由于主体结构材料及截面的减少，相应的主体工程施工进度应有所加快，而减震装置一般可以在主体施工后进行也可，前期预留埋件即可）。隔震结构对项目工期的影响则是体现在隔震层上，它大约是项目首层楼层施工工期的2~3倍 ^[6] 。

最后需要指出的是，在震后修复以及结构的安全储备上，隔震结构的经济效益则是要优于减震结构的。