周逸之

同济大学国家土建结构预制装配化工程技术研究中心技术研发员，加州大学伯克利分校结构工程，力学与材料硕士

引言

装配式建筑是中国建筑领域下一阶段的主旋律，2016年《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》（以下简称《意见》）提出，要以京津冀、长三角、珠三角三大城市群为重点推进地区，常住人口超过300万的其他城市为积极推进地区，其余城市为鼓励推进地区，因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑。力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进建筑业供给侧结构性改革的重要举措，有利于节约资源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平；有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能。随着我国经济逐渐由劳动密集型产业向资本与技术密集型产业的转变、我国建筑行业对更高效建筑方式的技术发展、市场对装配式建筑的期待与信心愈发增长，装配式建筑的发展充满生机。

然而，装配式建筑本身仍然存在诸多问题亟待解决。尤其在抗震性能上，老一代的装配式建筑表现不尽人意。在1985年墨西哥城大地震，1994年北岭地震，1999年伊兹米特地震等事件中，初代装配式建筑糟糕的抗震性能使这些建筑受到了严重的破坏。不论是预制钢-混凝土梁柱节点的结构损坏，还是预制混凝土楼板的整体毁坏等等，都表明需要新技术来弥补装配式建筑在抗震能力上的不足。

近年来，我国在防灾减灾领域不断深化政策改革并落实，在对抗地震灾害一题上提出台出 如《建设工程抗震管理条例》《住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）》等重要文件，减震隔震技术在建筑领域的应用愈发广泛。就隔震领域而言，我国当前有近12,000栋隔震建筑已经完成，且数量不断增加。隔震技术能够极大消减地震动作用，在经恰当的设计和施工下后，能够对其上部结构起到减震产品难以企及的保护效果。考量楼层加速度、层间位移角等关键指标，能够基本保证上部建筑在设防地震中始终处于弹性形变变形阶段。鉴于隔震技术对抗地震动的优良表现与装配式建筑对抗震能力的需求完美契合，将隔震技术应用在装配式建筑中将是大势所趋。

隔震技术及其应用场景

在建筑物上应用隔震技术就好比给一栋建筑物底部安装了滚轮和弹簧。当地震发生时，建筑物会发生平面上的位移，而主体结构所受到作用力和能量会大幅减小。历经位移之后，类弹簧装置又能使结构恢复到初始的位置。对比传统抗震建筑通过提高结构自身抗震性能的思维，隔震技术的优势是“以柔克刚”（图1）。

图1 加州大学伯克利分校隔震建筑

隔震结构的两个基石单元分别是隔震支座和阻尼器，支座一般布置在结构柱的正下方，阻尼器布置较自由。两者一起构成隔震层，以达到支撑竖向荷载，提供水平方向恢复力，以及控制地震动下变形的效果。当前国内市场中常见的隔震支座包括叠层橡胶隔震支座（Natural Rubber Bearing, NRB 或 Laminated Natural Rubber Bearing, LNR），铅芯橡胶隔震支座（Lead Rubber Bearing, LRB），摩擦摆支座（Friction Pendulum System, FPS 或 Friction Pendulum Bearing, FPB）等。国内常见的隔震层有LRB+LNR组合，或单纯使用FPS（由于FPS本身存在竖向变形，不适合与其他支座混用），而在日本的隔震建筑体系中，更加强调阻尼器调节隔震层变形效果，常见隔震支座+油阻尼器/铅阻尼器/金属阻尼器的布置形态如图2所示。

图2 日本常见的软钢阻尼器+叠层橡胶隔震支座的组合隔震层

需要注意的是，隔震支座并非是解决结构抗震问题的万金油。由于隔震支座本身抗拉应力能力差，尤其如摩擦摆支座在拉力状态下无耗能作用，基底隔震不适用于超高层建筑，对于高层建筑的基底隔震需要对结构在地震中可能产生的拉应力做细致的分析。此外，由于隔震建筑的振动由第一模态主导，上部结构设计不宜“柔”，场地不宜有高液化风险，即隔震结构在低楼层，场地条件为I、II、III类（IV类场地设计时要采取额外措施），上部结构设计刚度大的情况下，可最大化地发挥其隔绝地震动能量的作用。

此外，隔震技术在中间层隔震，历史建筑物加固改造，屋盖隔震，提高建筑设计自由度等领域也有极广阔的应用场景。

装配式建筑抗震存在的问题

装配式建筑的核心特征在于其模块化的建筑思维。这意味着，梁、柱、楼板等部分结构构件甚至全部构件，抑或是集装箱式的模块构件事先在工厂中生产好，运往施工地点进行拼装。研究和试验表明，预制构件之间的连接会对结构安装带来以下挑战：

（1）结构连接点的现场安装要保证足够的精度；

（2）要保证复合结构连接点的适当性，如钢梁-混凝土柱连接点设计能否满足地震动产生的变形与横向力要求，能否在复合结构中保证结构稳定；

（3）连接处必须有效传递横向力，且有足够的强度使得能够从主体结构向连接构件传导压拉等竖向应力；

（4）由于不同预制件连接往往用到各式各样的工法，而不同的连接构件或工艺又有不一样的力学性能和滞回曲线，导致结构连接点的仿真模拟难，模拟精度难以得到保证。

上述问题会直接导致结构难以达到抗震烈度的要求。笔者曾参与美国俄勒冈州立大学入学行政楼抗震性能结构分析项目。该建筑为钢柱-预制混凝土楼板的复合型框架结构（图3），建于20世纪70年代，结构高度约22m，地上6层，地下1层，场地条件符合国内II类场地标准，有近断层。该装配式建筑构建方法较特别，在工厂内预制了混凝土楼板，现场施工了地基，然后先将混凝土楼板运往场地，并叠层平铺在场地上，在对应柱的点位上安装好钢柱，再将预制混凝土楼板拉抬至相应层高处与钢柱连接，完成结构搭建。

图3 俄勒冈州立大学入学行政楼

钢柱和楼板通过楼板预埋件与钢柱以螺栓与焊接形式进行连接，且钢柱与连接点外部现浇混凝土。通过结构模拟与时程分析，该建筑物在美国设防地震水平下预制混凝土板与钢柱连接将几乎全部损毁，致使楼板由重力影响坠落并严重破坏，不符合美国当前抗震规范要求。

隔震技术助力装配式建筑抗震性能

上文中的例案虽然较极端，但也直观表明装配式建筑的节点构件问题。如何实现这一类初代装配式建筑的加固，提高新装配式建筑的抗震性能，应用隔震技术是一种非常好的解决方案。装配式建筑常采用混合材料的模式，且因预制构件和连接节点构造多样，导致破坏模式和地震动模拟准确度较低。而隔震建筑上部建筑所受水平力折减极大，几乎没有太大的韧性要求，对于多种材料构成的无明确破坏模式的混合结构，上部结构设计的自由度能够极大地提高。这些特点恰恰契合了装配式建筑的需求。

此处我们将使用一个简单的计算分析案例，说明隔震技术在工程应用中的具体效果。见图4。

图4 简易预制混凝土结构模型

假设有一建筑，位于抗震设防烈度8度区，设计基本地震加速度峰值为0.2 g，设计地震分组第三组，II类场地，场地特征周期0.45s。结构质量为10,162t，结构为预制混凝土框架结构，其主要连接节点为预制混凝土型钢连接梁柱节点。该梁柱节点性能以对应层间位移角进行衡量，在层间位移角小于1/450时保持弹性，层间位移角限值为1/150。通过ETABs软件，我们可以对该建筑物进行简单建模。方案一为对其基底进行固定处理模拟普通抗震结构，方案二为使用摩擦摆隔震支座构筑基底隔震层。通过时程分析，对比两个方案建筑所产生的层间位移角。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）进行选波，各时程信息如表1所示：

表1 时程分析所选波的时程信息

本方案中，笔者采用摩擦摆隔震支座（图5）设计隔震方案。摩擦摆支座通过球形滑动表面的运动使上部结构发生单摆运动。隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制，阻尼由动摩擦系数来控制。

图5 摩擦摆支座剖面图

摆装置提供的恢复力使支座能依靠其承托的重力重新回到中心位置，使地震响应可以预测和控制。由于摩擦摆隔震装置的刚度中心自动与隔震结构的质心重合，因而能在最大的范围内消除结构的扭转运动。摩擦摆支座的周期、竖向承载力、阻尼比、侧向位移和抗拉力等指标可以进行单独控制，这种特性便于设计人员对隔震系统进行优化设计。

本项目使用的摩擦摆隔震支座参数和布置分别如表2、图6所示。

表2 隔震支座参数

图6 摩擦摆支座布置图

设防地震时输入加速度峰值为PGA=2.0m·s-2。对隔震与非隔震建筑进行时程分析得到表3、表4中数据。

表3 无隔震状态下的层间位移角

表4 使用摩擦摆隔震支座后的层间位移角

罕遇地震时输入加速度峰值为PGA=4,000mm·s-2。对隔震建筑进行时程分析，可得表5。

表5 罕遇地震下使用摩擦摆隔震支座后的层间位移角

参照表3与表4层间位移角的数据计算可以发现，相较于无基底隔震的建筑，摩擦摆隔震系统能够显著减小上部结构（2-7层）的层间位移角，在X方向上完全达到1/450（0.0022）预制混凝土型钢梁柱节点的弹性区间，在Y方向上4-7层满足节点弹性要求，2-3层梁柱节点略微超出弹性区间，可适当添加辅助设备以达到弹性要求。而没有采用隔震的建筑则在设防地震下基本都进入塑性形变区间，甚至接近1/150（0.0067）的极限值。由此对比可以看出，隔震系统显著地提升了上部装配式建筑在设防地震下的表现，使其达到了“中震不坏”的高抗震性能。

参考表5我们可以看到，在罕遇地震下，隔震结构仍然可以在结构上部保证预制混凝土型钢梁柱节点处于弹性区间，其他楼层层间位移角亦不超过实验所得限值1/150（0.0067），达到“大震可修”的高抗震性能标准。

结语

装配式建筑是未来建筑行业的主要建造模式，然而其存在的结构问题，尤其是预制化、模块化的构件连接技术薄弱，导致结构整体抗震能力较差。随着隔震技术在国内的普及与应用，因其对上部结构出色的水平力折减效应，使得上部结构的设计自由度更高，所需承载地震动能量显著降低，这与装配式建筑由多种材料混合组建、不同类型预制件连接方式不同、整体结构性质难以模拟的特点完美契合。在保证合适场地，合适土壤环境，结构底部在地震动中不易出现拉应力的情况下，将隔震技术应用于装配式建筑将极大地提高建筑本身的抗震性能。

作者：周逸之

来源：国家土建装配化工程技术研究中心

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