建筑基礎(chǔ)消能隔震技術(shù)是目前世界地震工程界推廣應(yīng)用較多的成熟高新技術(shù)之一。
地震是人類社會(huì)無法避免的一種自然現(xiàn)象，地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失90%甚至更多源于建筑物倒塌所致。因此世界各國都在致力于做好工程抗震減災(zāi)工作，致力于提高建設(shè)工程的抗震設(shè)防水平，提高建設(shè)工程的抗震能力。
基礎(chǔ)隔震技術(shù)是目前世界地震工程界推廣應(yīng)用較多的成熟高新技術(shù)之一。被美國地震專家稱之為“40年來世界地震工程最重要的成果之一，基礎(chǔ)隔震技術(shù)的使用使建筑在地震中不倒塌真正成為可能，使其成為減輕地震災(zāi)害最有效的手段之一?！钡卣饘＜?、中國工程院院士、廣州大學(xué)工程抗震研究中心主任周福霖認(rèn)為，隔震、減震、消能控震都是“以柔克剛”的抗震好辦法，是未來的發(fā)展潮流，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過加粗房屋柱子的傳統(tǒng)抗震方法。本期《科普之窗》將為您講述建筑基礎(chǔ)消能隔震技術(shù)知識，增強(qiáng)廣大市民的防震減災(zāi)意識。
建筑中的隔震墊安裝
消能隔震技術(shù)
地震引起地面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使地面上原來處于靜止的建筑物受到動(dòng)力作用而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，因而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力、變形和位移，造成房屋破壞、橋梁塌落以及其他眾多工程設(shè)施損毀。地震專家經(jīng)過對簡化后的模型動(dòng)力學(xué)分析和建筑抗震經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即一次次的震害分析進(jìn)行修正、補(bǔ)充，得到一些建筑物在地震作用下的反應(yīng)機(jī)理及破壞形式，提出了一些建筑物抗震的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)的基本原則，即在建筑設(shè)計(jì)和施工中采用隔震或消能減震技術(shù)。隔震是將工程結(jié)構(gòu)和地面分割開來，并通過一套專門的支座裝置和地面相連接，形成一個(gè)水平向柔弱層，安裝支座后結(jié)構(gòu)振動(dòng)基本周期被顯著延長，可以避開地震動(dòng)的卓越周期，這樣就能減少地震能量的傳輸，從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭地震破壞。減震又稱為消能減震，是通過增加工程結(jié)構(gòu)自身的阻尼，消耗結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)程度，有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。
傳統(tǒng)房屋采用“剛性抗震”方法通過增加截面尺寸，提高材料強(qiáng)度等級，以提高抗震能力。但缺點(diǎn)是允許房屋結(jié)構(gòu)破壞，提高了工程造價(jià)，抵御不了大地震。 隔震房屋則另辟蹊徑采用“柔性抗震”方法，在建筑物基礎(chǔ)與地基之間用隔震層將其上下隔斷，使80%以上的地震能量不能傳遞上來，地震時(shí)地動(dòng)而房不動(dòng)，提高了抗震能力。隔震房屋比傳統(tǒng)抗震房屋的安全度可提高90%左右。強(qiáng)震時(shí)不僅房屋不會(huì)損壞、倒塌，功能系統(tǒng)也不會(huì)被損壞;人員可以不必疏散，照常工作。
隔震建筑主要采用橡膠支座隔震，橡膠隔震支座能減小地震作用，消除或有效減輕結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)的損壞，從而起到隔離消減地震能量的作用。從技術(shù)角度講，建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)是在建筑上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)(或下部)結(jié)構(gòu)之間，設(shè)置可以人為改變結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)特性的隔震系統(tǒng)，使建筑物上部結(jié)構(gòu)與地基“隔開”，“隔斷”地震能量向上部結(jié)構(gòu)的有效傳遞路徑。實(shí)際上是通過隔震層的水平向大變形運(yùn)動(dòng)消耗掉大部分地震能量，減輕上部結(jié)構(gòu)所受到的慣性地震作用，有效降低地震引起的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)、減小層間剪力及相應(yīng)的剪切變形。與以往的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，采用隔震技術(shù)的建筑物具有以下優(yōu)點(diǎn)：①提高地震時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性;②設(shè)計(jì)自由度增大;③防止內(nèi)部物品的振動(dòng)移動(dòng)和翻倒;④防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞;⑤抑制振動(dòng)的不適感;⑥可以保證機(jī)械器具的使用功能。從經(jīng)濟(jì)角度講，抗震設(shè)防烈度越高，采用隔震措施所獲得的直接經(jīng)濟(jì)效益就越明顯。以采用疊層橡膠墊隔震技術(shù)為例，以達(dá)到相同的抗震能力為衡量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)抗震設(shè)防基本烈度為9度時(shí)，與相同規(guī)模的非隔震建筑相比，隔震后建筑物的平均土建造價(jià)最高可節(jié)省約15%一20%;8度時(shí)，最高可節(jié)省土建造價(jià)約10%;7度時(shí)，基本不節(jié)省造價(jià)，或造價(jià)略有增加約1%一5%左右;6度時(shí)，土建造價(jià)增加約10%。雖然上述比較是以達(dá)到相同的抗震能力為衡量標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上6、7度設(shè)防時(shí)，采用基礎(chǔ)隔震措施后，房屋的實(shí)際抗震能力已遠(yuǎn)大于相同不隔震建筑的抗震能力，其所帶來的安全儲(chǔ)備大幅度提高(可提高2一10倍)。在隔震設(shè)計(jì)時(shí)，要經(jīng)過計(jì)算，進(jìn)行多方案比較選擇最佳方案。不經(jīng)過計(jì)算而直接采取隔震措施，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致隔震效率不高或者不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)處理不好時(shí)，還可能產(chǎn)生共振，不僅無益還會(huì)加大震害。
隔震支座解剖圖
隔震原理及隔震形式
隔震技術(shù)尚屬新興學(xué)科，它能有效地吸收地震能量，減少結(jié)構(gòu)的水平地震作用，從而消除或減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞，增強(qiáng)建筑物及內(nèi)部設(shè)施和人員的地震安全性，提高建筑物的抗震能力。
從隔震結(jié)構(gòu)原理的模型圖分析得知：(1)彈簧的剛度越大，振子的周期就越短;彈簧的剛度越弱，振子的周期就越長。當(dāng)彈簧的剛度特別大，則建筑物就不能滾動(dòng)，只有自身的往復(fù)變形運(yùn)動(dòng)，即建筑物的自身振動(dòng)，隔震措施就沒有發(fā)揮出隔震作用;當(dāng)彈簧的剛度特別小時(shí)，建筑物就不能往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即不能成為振子;(2)當(dāng)滾珠的摩擦力特別小時(shí)，建筑物的往復(fù)運(yùn)動(dòng)就不會(huì)停止;當(dāng)滾珠的摩擦力特別大時(shí)，建筑物就會(huì)立刻停止。因此，建筑物的運(yùn)動(dòng)特性取決于自振周期和阻尼兩個(gè)因素，而自振周期又取決于建筑物的質(zhì)量和彈簧的剛度?？芍?，對建筑物采取的隔震措施，其效果取決于隔震器和阻尼器的特性。
根據(jù)隔震形式的不同，建筑隔震技術(shù)分為基礎(chǔ)隔震和懸掛隔震。基礎(chǔ)隔震就是在建筑物或構(gòu)筑物的基底設(shè)置隔震裝置。基礎(chǔ)隔震概念最早是由日本學(xué)者河合浩藏于1881年提出的。主要有以下幾種方式：①橡膠支座。它是由多層橡膠和鋼板相互疊加而成，在施加豎向荷載時(shí)，由于橡膠受到鋼板的約束，不會(huì)產(chǎn)生很大的橫向變形，即具有很強(qiáng)的抗壓能力;水平方向有很大的變形能力，在地震作用下，橡膠墊可以隔離水平方向的運(yùn)動(dòng)分量。最初是在1965年用于倫敦的地鐵車站上面的建筑，采用多層橡膠支座防止了地鐵的振動(dòng)傳給上部建筑物。②鉛心橡膠墊。它是對橡膠支座的一大改進(jìn)。在橡膠支座中心鉆孔，插入一個(gè)鉛芯，利用其塑性變形能力把支座的臨界阻尼從3%增加到10%～15%。因此，在低阻尼要求的情況下，可以不使用阻尼器。③柔性樁結(jié)構(gòu)。它是采用立在套管中的樁來隔震，樁頂鉸接，使樁在水平方向有一定的柔性，套管和樁之間有一定的間隙，使樁可以在套管中變位，將結(jié)構(gòu)與可能發(fā)生有害地震的土層分開。當(dāng)樁頂安置阻尼器時(shí)，可構(gòu)成有效的隔震基礎(chǔ)系統(tǒng)。
也可采用阻尼器的方式：①油阻尼器。它是比較理想的阻尼材料。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論可以設(shè)計(jì)各種形式的油阻尼器。所采用的油材料很多，通常油硅油、機(jī)械油、柴油機(jī)油、變壓器油等。在設(shè)置時(shí)，一般不少于四個(gè)，對稱布置在基礎(chǔ)的四角，避免在體系質(zhì)心的坐標(biāo)軸線上布置阻尼器。②摩擦阻尼器。將幾塊鋼板用高強(qiáng)螺栓連在一起，可做成摩擦阻尼器。通過調(diào)節(jié)高強(qiáng)螺栓的預(yù)應(yīng)力，就可調(diào)節(jié)鋼板間摩擦力的大小。通過對鋼板表面進(jìn)行處理或加墊特殊摩擦材料，可以改善阻尼器的往復(fù)摩擦性能。③彈塑性阻尼器。低碳鋼具有良好的塑性變形性能，可在超過屈服應(yīng)變幾十倍的塑性應(yīng)變上下往復(fù)變形數(shù)百次而不斷裂。根據(jù)需要，可以將鋼板(棒)彎成各種形狀做成阻尼器。
消能隔震技術(shù)還有一種形式就是懸掛隔震，懸掛隔震即將結(jié)構(gòu)的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來，使地震動(dòng)傳遞不到主體質(zhì)量上，產(chǎn)生較小的慣性力，從而起到隔震作用。懸掛結(jié)構(gòu)在橋梁、火電廠鍋爐架等方面有大量應(yīng)用。懸掛結(jié)構(gòu)懸桿受力較大，須采用高強(qiáng)鋼，而高強(qiáng)鋼忍性差，在豎向地震作用時(shí)易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點(diǎn)設(shè)減震彈簧，并配合使用阻尼器。著名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結(jié)構(gòu)。
消能隔震技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀
目前，較為成熟的建筑隔震技術(shù)包括：疊層橡膠支座隔震、摩擦擺隔震、滾軸支座隔震、滑移隔震、混凝土短柱支座隔震等，其中疊層橡膠支座隔震技術(shù)的應(yīng)用最為普遍。
世界上大約有30多個(gè)國家在開展這方面的研究，這項(xiàng)技術(shù)已被應(yīng)用在橋梁、建筑，甚至是核設(shè)施上：1977年法國第一次將橡膠隔震技術(shù)應(yīng)用于原子能反應(yīng)堆中;1984年新西蘭建造了第一幢疊層橡膠支座的四層建筑物;1985年美國建成第一座四層的疊層橡膠支座隔震大樓——加州·圣丁司法事務(wù)中心;1986年日本建成一幢五層高技術(shù)中心樓，采用鉛芯橡膠隔震支座。截止目前，世界上大約已建成了4000多幢橡膠隔震建筑。
上世紀(jì)80年代以來，基礎(chǔ)隔震技術(shù)研究開始在中國得到重視，國內(nèi)不少學(xué)者對國際上流行的基礎(chǔ)隔震體系進(jìn)行了研究，取得了很大的進(jìn)展。截至目前，我國采用疊層橡膠隔震支座建設(shè)的各類房屋建筑面積已達(dá)幾百萬平方米以上，遍布大江南北十幾個(gè)省市自治區(qū)。不過，雖然我國的隔震減震技術(shù)研究已處于世界先進(jìn)行列，但其推廣應(yīng)用并不理想。自1989年開始應(yīng)用至今，我國只有3000多棟房屋、100多座橋梁使用了該技術(shù)。周福霖院士認(rèn)為，造成上述現(xiàn)象的主要原因在于：一是設(shè)計(jì)人員抗震設(shè)防思維落后，錯(cuò)將設(shè)防烈度當(dāng)做安全的準(zhǔn)確指標(biāo);二是政府管理部門意識落后;三是開發(fā)商為追求經(jīng)濟(jì)利益，降低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn);四是施工人員沒有完全了解并掌握隔震減震技術(shù)。周福霖說：“但不管怎樣，隔震減震技術(shù)仍是我國工程技術(shù)的發(fā)展方向之一，未來應(yīng)從單純采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)過渡到同時(shí)采用抗震、隔震、減震技術(shù)的新時(shí)代?！彼睦硐胧亲尩卣鹬械慕ㄖ锬芟裢２丛谒锏拇粯樱h動(dòng)幾下又歸于平靜;讓地震像一場暴風(fēng)雨一樣，平凡而不可怕。
實(shí)際結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)記錄和試驗(yàn)研究表明，建筑物采取有效的隔震措施后，可以有效地保護(hù)上部結(jié)構(gòu)免遭破壞，同時(shí)室內(nèi)裝修及設(shè)備也可得到有效保護(hù)，即使在強(qiáng)震作用下也可保持建筑功能完好。在類似于汶川大地震這樣千年難遇的意外事件發(fā)生時(shí)，不但會(huì)保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)的安全，更重要的是地震將不再是毀滅性的災(zāi)難，不再會(huì)
對社會(huì)造成巨大的恐慌。
適用范圍與應(yīng)用實(shí)例
一般來說，隔震結(jié)構(gòu)可以適合各種用途的建筑，并都能獲得較好的隔震效果。出于結(jié)構(gòu)的安全性、房屋內(nèi)部物品的振動(dòng)翻到、防止構(gòu)件二次損壞等因素，更適合用隔震措施的建筑物有：住宅(居民住宅、養(yǎng)老院、療養(yǎng)院)、公共建筑(劇院、醫(yī)院、旅館)、防災(zāi)中心建筑(學(xué)校、消防局)、核電設(shè)施(核電站、倉庫)、尖端產(chǎn)業(yè)設(shè)施(研究所、超精密加工廠)、紀(jì)念性建筑物(紀(jì)念建筑、寺廟)等等。
實(shí)例①：1995年云南武定6.5級地震，地震發(fā)生時(shí)，大理震感強(qiáng)烈，而橡膠墊隔震建筑——大理州交通指揮中心大樓中的大多數(shù)人沒有感覺，不知道地震發(fā)生。
實(shí)例②：1996年，云南麗江發(fā)生7級強(qiáng)烈地震。西昌市國稅局宿舍樓為六層隔震樓。在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動(dòng)，而相鄰的一幢常規(guī)抗震樓只有四層高，樓上居住的人搖晃十分厲害，驚慌失措往外逃跑。
實(shí)例③：蘆山縣人民醫(yī)院系汶川地震后澳門同胞捐款修建的，為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在基底采用疊層橡膠支座，上部結(jié)構(gòu)按照Ⅶ度設(shè)防。2013年4月20日蘆山M7.0地震后，該醫(yī)院處于Ⅸ度區(qū)，周邊相鄰非隔震建筑破壞嚴(yán)重，但人民醫(yī)院不但結(jié)構(gòu)、裝修完好，連窗戶玻璃和樓頂招牌都完好無缺，各樓層醫(yī)療設(shè)施也完好無損。震后為傷員救治發(fā)揮了重要作用，因而被網(wǎng)友稱為“樓堅(jiān)強(qiáng)”。其秘密就在于支座的彈簧緩沖效應(yīng)。
實(shí)例④： 全球最大的減隔震單體建筑——昆明新機(jī)場航站樓的實(shí)現(xiàn)，開發(fā)了大尺寸高荷載支座、低硬度隔震支座、高阻尼隔震支座以及低摩擦系數(shù)的滑移支座。在橡膠配方、生產(chǎn)工藝方面實(shí)現(xiàn)了自助創(chuàng)新，克服間隔震支座產(chǎn)品性能和質(zhì)量穩(wěn)定性差的難題，抗震性能達(dá)到了發(fā)達(dá)國家水平。昆明新機(jī)場航站樓隔震技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的科技創(chuàng)新，取得了多項(xiàng)專利，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)豐富和完善了我國隔震技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)行業(yè)規(guī)范，推動(dòng)了隔震技術(shù)的進(jìn)步。
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建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)發(fā)展應(yīng)用史
早在二十世紀(jì)60年代中后期，新西蘭、日本、美國等國家就已經(jīng)對建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)開展了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，并取得了較好的成果。
上世紀(jì)70年代初，新西蘭率先開發(fā)出鉛芯疊層橡膠支座，1974年世界首棟隔震建筑在新西蘭建成。90年代，全世界共有30多個(gè)國家和地區(qū)圍繞這一問題展開了更加廣泛深入的研究和應(yīng)用。1994年洛杉磯地震和1995年日本阪神地震后隔震技術(shù)得到迅速發(fā)展，并相繼寫入各國抗震規(guī)范，美國、日本開始大量采用隔震建筑。
我國于上世紀(jì)60年代開始建筑基礎(chǔ)隔震理論及應(yīng)用技術(shù)的探索研究，80年代后期獲得重視，90年代以后取得長足進(jìn)步并在許多重要工程中獲得應(yīng)用。2001年建筑基礎(chǔ)隔震減震技術(shù)寫入我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，更標(biāo)志著隔震技術(shù)在我國的成熟發(fā)展。
