關(guān)于在鐵路房屋中采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的探討

陳詩白

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 問題的提出

我國近年來地震頻發(fā)，且震源淺、分布廣。僅汶川地震，就造成了大量鐵路生產(chǎn)生活房屋的倒塌或損壞。目前鐵路房屋抗震設(shè)防烈度主要是依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》。汶川、玉樹等歷次大地震之后，迫切需要針對地震區(qū)劃圖的完善性，深入探討鐵路房屋抗震防倒塌的技術(shù)對策。

迄今為止，我國已經(jīng)編制發(fā)布了四代地震區(qū)劃圖。幾代區(qū)劃圖的編制反映了我國地震科學(xué)發(fā)展的不同階段。編圖方法從簡單的“地震重復(fù)”、“百年尺度地震預(yù)測”發(fā)展到地震危險性概率分析方法［1-2］;編圖參數(shù)由地震烈度發(fā)展到地震動參數(shù)。汶川、玉樹地震倒塌的大批房屋中，許多是由于未按地震區(qū)劃設(shè)防而倒塌，例如大量的未經(jīng)正規(guī)設(shè)計的村鎮(zhèn)民居。

而有些“抗震”房屋雖然已按地震區(qū)劃設(shè)防但仍未免于倒塌。這說明，現(xiàn)行地震區(qū)劃圖對許多地區(qū)的罕遇地震參數(shù)估計過低［2］，尚不能保證房屋抗倒塌目標的實現(xiàn)。因為這些房屋遭遇的實際地震烈度，高于地震區(qū)劃設(shè)防烈度不止一度;而根據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范，“抗震”房屋“大震不倒”的保障前提僅限于遭遇到比設(shè)防烈度高一度的地震作用。

我國鐵路建設(shè)正處在一個高速發(fā)展的歷史時期。普遍提高鐵路重要生產(chǎn)生活房屋的抗震能力，是保障公眾生命安全、減輕地震對鐵路運輸破壞程度的前提。對于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的生命線相關(guān)鐵路房屋，例如行車調(diào)度、運轉(zhuǎn)、通信、信號、供電、供水建筑，以及6 000人以上的旅客站房等，按現(xiàn)行規(guī)范［3］規(guī)定，即按高于區(qū)劃設(shè)防烈度一度的要求加強其抗震構(gòu)造措施，確實能提高抗震能力，但其提高效果是很有限的。因此建議，對于建在硬土場地的此類鐵路重要房屋，宜積極采用國內(nèi)外較為成熟的基礎(chǔ)隔震先進技術(shù)。國內(nèi)外大量試驗和工程經(jīng)驗表明［4-5］，基礎(chǔ)隔震房屋的抗震能力高于同條件下的傳統(tǒng)“抗震”房屋。

2 鐵路房屋采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的進一步探討

2.1 “抗震”房屋與“基礎(chǔ)隔震”房屋

“抗震”房屋是用房屋結(jié)構(gòu)自身的承載力和塑性變形能力直接抗震，立足于“抗”。其缺點是:當房屋遭遇高于設(shè)防烈度一度的“大震”時，即使能夠“大震不倒”，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件在利用自身承載力和塑性變形能力耗散地震能量的同時，構(gòu)件本身也遭到損壞，使房屋喪失了使用功能，且房屋內(nèi)部設(shè)備或物品難免被震壞。而且，即使通過“超規(guī)范”設(shè)計，能提高房屋的抗震能力，但由于房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面加大，質(zhì)量放大，不僅造價上升，所受到的地震作用也必然增大，形成了不良循環(huán)。

區(qū)別于“抗震”房屋，“基礎(chǔ)隔震”房屋立足于“隔”［6-7］:當?shù)卣饋硪u，基礎(chǔ)隔震層能阻隔地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，因而能保護房屋上部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備免遭大的損壞。

2.2 國內(nèi)外基礎(chǔ)隔震房屋的應(yīng)用情況

我國古建筑營造技術(shù)已體現(xiàn)出房屋基礎(chǔ)隔震理念的樸素雛形，譬如北京故宮上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的糯米石灰墊層等。

現(xiàn)代的建筑基礎(chǔ)隔震理念是19世紀末由日本提出并且在日本、美國等國家獲得快速發(fā)展，較為成熟的是采用橡膠隔震支座。應(yīng)用范圍從橋梁到住宅，包括政府大樓、醫(yī)院、學(xué)校、體育場館、博物館等。在1994年美國洛杉磯6.8級地震和1995年日本阪神7.2級大地震中，與常規(guī)“抗震”房屋相比，隔震房屋顯示了令人驚嘆的優(yōu)越性。

20世紀80年代以來，基礎(chǔ)隔震技術(shù)在我國開始得到關(guān)注并采用。1994年臺灣海峽發(fā)生7.3級地震并波及汕頭地區(qū)時，汕頭市區(qū)同地段的傳統(tǒng)“抗震”房屋發(fā)生了較為劇烈的晃動，而“隔震”房屋的住戶們卻沒有震感。目前我國已建造了超過200萬㎡的隔震房屋［8］，其中絕大多數(shù)采用的是疊層橡膠隔震裝置。

目前，房屋隔震技術(shù)標準日趨完善。美國、日本、新西蘭等國家相繼頒布了建筑隔震設(shè)計規(guī)程。我國也在2001年頒布了《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》(GECS126:2001)。

在國內(nèi)鐵路房屋建設(shè)中，基礎(chǔ)隔震技術(shù)已在“橋建合一”鐵路客站等極少量工程中被采用;而眾多的設(shè)計使用年限為50年的鐵路重要生產(chǎn)生活房屋，仍以“抗震”方式為主。

2.3 新建鐵路房屋

為滿足鐵路運輸生產(chǎn)工藝布局等多因素綜合需求，混凝土框架、剪力墻和多層砌體結(jié)構(gòu)類型在鐵路房屋中所占比例很大。而此類房屋結(jié)構(gòu)類型正是國內(nèi)外基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用較早、較成熟的房屋結(jié)構(gòu)類型［4，9］。

按照《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》［10］，到2020年，全國鐵路網(wǎng)營業(yè)里程將達到12×104km以上，這必將引發(fā)各類鐵路重要生產(chǎn)生活房屋的建設(shè)高峰。而這些新建房屋無論其建筑規(guī)模的大小，都將和房屋內(nèi)部的工藝設(shè)備結(jié)合為一體，成為鐵路運輸?shù)纳窠?jīng)樞紐，牽一點而動全局。因此，房屋和設(shè)備均不喪失使用功能才是地震后鐵路運輸系統(tǒng)快速恢復(fù)的關(guān)鍵。

若按基礎(chǔ)隔震理念設(shè)計這些新建鐵路房屋，不僅將使房屋本身少受震害，同時將能很好地防護房屋內(nèi)部工藝復(fù)雜的設(shè)備。同條件下，新建鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種方式宏觀性能預(yù)測對比見表1。

2.4 既有鐵路房屋

在既有線改擴建中，對于需要抗震加固利舊的房屋，用傳統(tǒng)的“抗震”加固方式(即加固后靠房屋結(jié)構(gòu)自身承載、變形能力來抵抗地震作用)較難達到強度和延性的合理匹配。若采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)對房屋進行加固利舊，不僅加固后抗震能力高于“抗震”房屋，對于鐵路運輸系統(tǒng)的暢行更具獨特益處。同條件下，“抗震”與“隔震”兩種加固方式的宏觀性能預(yù)測對比見表2。

2.5 基礎(chǔ)隔震支座的耐久性

按現(xiàn)行標準，大部分鐵路重要生產(chǎn)生活房屋設(shè)計使用年限為50年。實踐表明，隔震支座的工作壽命可超過50年［11］。如澳大利亞墨爾本某鐵路橋使用橡膠支座，于1889年建成，已使用100多年，老化深度僅為5 mm。目前的橡膠隔震支座產(chǎn)品，大都采用了外圍保護層以及抗老化劑、阻燃劑等措施，壽命可達到或超過房屋設(shè)計使用年限。即使隔震層部件在房屋設(shè)計使用年限內(nèi)需要改裝、更換，其施工也是不難操作的。

2.6 基礎(chǔ)隔震房屋的宏觀造價

從表1和表2還可以看出，和“抗震”房屋相比，由于地震動本身主要由隔震層承擔而不完全需要上部房屋結(jié)構(gòu)本身“硬抗”，因而房屋上部結(jié)構(gòu)的土建造價會降低很多，可用于抵消隔震層造價。文獻［9］認為，隔震技術(shù)是在增加不多的投資情況下來提高建筑物的抗震目標。近年來一些隔震房屋工程實例的宏觀評估認為，同等造價條件下或造價略有增、減的條件下，“隔震”房屋的抗震設(shè)防目標高于傳統(tǒng)“抗震”房屋的目標。

表1 新建鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種方式宏觀性能預(yù)測對比

表2 既有鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種加固方式宏觀性能預(yù)測對比

如果再考慮與“抗震”房屋相比，基礎(chǔ)隔震房屋在地震時減輕了房屋結(jié)構(gòu)的破壞、減輕了內(nèi)部設(shè)備的損失、減輕了人員傷亡、減輕了鐵路運營停工停產(chǎn)損失和震后修復(fù)費用等，可見隔震房屋全壽命造價明顯降低。

3 結(jié)語

基礎(chǔ)隔震技術(shù)在鐵路房屋中的推廣應(yīng)用，尚需主管部門政策引導(dǎo)和業(yè)主積極支持。這將普遍提升鐵路房屋抗震防倒塌能力，促進鐵路科技創(chuàng)新，更將使鐵路房屋建設(shè)具有傳統(tǒng)“抗震”房屋無法比擬的全壽命優(yōu)勢。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB18306—2001，中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖［S］.北京:中國標準出版社，2001.

［2］高孟潭，盧壽德.關(guān)于下一代地震區(qū)劃圖編制原則與關(guān)鍵技術(shù)的初步探討［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2006，1(1):1-6.

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011—2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008年版)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］朱玉華，呂西林，馮德民，等.基礎(chǔ)隔震房屋模型振動臺試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2000，20(3):123-130.

［6］解詠平，宋雪琳，張松.基于簡化微分方程的 FPS隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析［J］.鐵道建筑，2008(8):114-116.

［7］日本免震構(gòu)造協(xié)會.建筑設(shè)計與細部［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［8］黃世敏，楊沈.建筑震害與設(shè)計對策［M］.北京:中國計劃出版社，2009.

［9］高小旺，龔思禮，蘇經(jīng)宇，等.建筑抗震設(shè)計規(guī)范理解與應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［10］中華人民共和國鐵道部.發(fā)改基礎(chǔ)［2008］2901號 中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)［DB/OL］.http://www.china-mor.gov.cn/tllwjs/tlwgh.html.

［11］中國工程建設(shè)標準化協(xié)會.CECS126:2001疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程條文說明［S］.北京:中國工程建設(shè)標準化協(xié)會，2001.