工程隔震技術(shù)的研究與探討

劉軍強(qiáng)

（湖南安石建筑設(shè)計有限公司，湖南 婁底 417000）

1 引言

地震是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，大地震可能造成極為嚴(yán)重的破壞。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地震的災(zāi)害性將變得尤為嚴(yán)重，特別是在人口稠密，生命線工程日益復(fù)雜的現(xiàn)代化大城市，其災(zāi)害性后果更不堪設(shè)想。

隔震技術(shù)是20世紀(jì)最具代表的革新性結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)之一，最早是由日本學(xué)者河合浩藏于1881年提出[1]，為工程抗震減災(zāi)提供了新的手段和研究方向，并在國內(nèi)外地震中經(jīng)受住了考驗(yàn)，表現(xiàn)出令人驚嘆的減震效果。本次汶川地震中甘肅武都縣的3棟隔震的6層砌體結(jié)構(gòu)在地震中表現(xiàn)良好，屋中家具、花瓶等完好，墻體無裂縫，而鄰近的非隔震房屋則振動激烈，室內(nèi)家具、花瓶、電器等傾倒，墻體嚴(yán)重開裂。隔震技術(shù)不僅可以保護(hù)結(jié)構(gòu)本身的安全，同時也保護(hù)了結(jié)構(gòu)內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、裝修、家居電器以及設(shè)備設(shè)施免遭破壞。

2 隔震原理及基本特征

2.1 隔震原理

隔震是一種革新的抗震方法，它旨在解除結(jié)構(gòu)與地面運(yùn)動的耦聯(lián)關(guān)系，通過增加結(jié)構(gòu)的柔性與提供附加阻尼來減小輸入到結(jié)構(gòu)中的地震作用[2]。結(jié)構(gòu)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)物底部或某層間設(shè)置隔震裝置而形成的結(jié)構(gòu)體系，它包括上部結(jié)構(gòu)，隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分。

普通中低層建筑物的剛度大、周期短，其基本周期正好在地震輸入能量最大的頻段上，因此相應(yīng)的加速度反應(yīng)比地面運(yùn)動放大得多見圖1中A點(diǎn)。如果延長建筑物的周期，而保持阻尼不變，則加速度反應(yīng)被大大降低見圖1中B點(diǎn)。如果繼續(xù)加大結(jié)構(gòu)的阻尼加速度反應(yīng)則進(jìn)一步減小見圖1中C點(diǎn)。這就是說,通過延長結(jié)構(gòu)的周期并給予較大的阻尼，就可使結(jié)構(gòu)上的加速度反應(yīng)大大降低。此外，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較大位移可由上部結(jié)構(gòu)底部和基礎(chǔ)頂部之間設(shè)置的隔震層來提供，而不由上部結(jié)構(gòu)自身的相對位移來承擔(dān)。這樣，上部結(jié)構(gòu)在地震過程中就會發(fā)生接近剛體平移的運(yùn)動，大大提高了上部結(jié)構(gòu)的安全性。

圖1 隔震原理示意圖

這里通過定義結(jié)構(gòu)與地面加速度的比值，即加速度衰減比Ra來展示隔震結(jié)構(gòu)的減震效果與隔震裝置的物理參數(shù)之間的關(guān)系[4]。圖2反映了結(jié)構(gòu)加速度減震效果與激勵同結(jié)構(gòu)頻率比之間的關(guān)系。圖2中，當(dāng)頻率比 ω/ωn=時，Ra=1，為隔震結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系的分界點(diǎn)，即圖2中A點(diǎn)。ω/ωn=時，Ra>1對應(yīng)傳統(tǒng)抗震體系，結(jié)構(gòu)與場地共振；反之，當(dāng)ω/ωn=時為隔震結(jié)構(gòu)，此時Ra>1，隨著 ω/ωn的增大，隔震減震效果越好。

圖2 隔震結(jié)構(gòu)關(guān)系曲線圖

2.2 隔震體系基本特征

疊層橡膠隔震體系的隔震層由若干個隔震器組成。隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。后兩種隔震器本身已具備足夠的附加阻尼，無需再額外設(shè)置阻尼器，實(shí)際工程應(yīng)用中往往與普通疊層橡膠墊組合起來使用。隔震裝置的基本特性如下[3]：

2.2.1 承載特性

隔震裝置應(yīng)具有較大的豎向承載能力，安全地支承上部結(jié)構(gòu)的所有重量及使用荷載，確保建筑物在正常使用或強(qiáng)震下的絕對安全。

2.2.2 隔震特性

隔震裝置具有可變的水平剛度。在強(qiáng)風(fēng)時，具有足夠大的水平初始剛度，不影響使用要求。在地震發(fā)生時，其水平剛度較小，上部結(jié)構(gòu)水平滑動，使“剛性”的抗震結(jié)構(gòu)體系變?yōu)椤叭嵝浴钡母粽鸾Y(jié)構(gòu)體系，其固有自振周期大大延長，遠(yuǎn)離上部結(jié)構(gòu)的自振周期和場地特征周期，從而明顯降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。此外，由于隔震裝置的水平剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)的層間水平剛度，地震作用下結(jié)構(gòu)的水平變形集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)在地震中變?yōu)椤罢w平動型”，結(jié)構(gòu)的層間變形小，即便在罕遇地震作用下也基本處于彈性狀態(tài)。這樣，既能保護(hù)結(jié)構(gòu)本身，有能保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裝飾、精密設(shè)備儀器等不遭任何損壞，確保結(jié)構(gòu)物和生命財產(chǎn)在強(qiáng)地震中的安全。

2.2.3 復(fù)位特性

隔震裝置具有水平彈性恢復(fù)力，使隔震結(jié)構(gòu)體系在地震中具有瞬時自動“復(fù)位”功能。地震后，上部結(jié)構(gòu)回復(fù)至初始狀態(tài)，滿足正常使用要求。

2.2.4 阻尼消能特性

隔震裝置具有足夠的阻尼，可進(jìn)一步耗散輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量；同時可使隔震層的位移明顯減少。

隔震體系明顯有效地減輕了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，能確保建筑物在強(qiáng)地震中安全正常使用，對房屋造價沒有較大的影響，且對上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計限制較小。

3 隔震的設(shè)計施工要點(diǎn)

我國目前的隔震技術(shù)系列規(guī)程主要包含以下內(nèi)容：（1）建筑、橋梁、特殊結(jié)構(gòu)和工業(yè)建筑的隔震設(shè)計方法；（2）新建建筑物和加固建筑的隔震設(shè)計方法；（3）隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有等效剪力法和時程分析法；（4）隔震設(shè)計容許減少對上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用力，以便能夠降低普通建筑物的造價；（5）隔震墊可以容許承受不同的壓應(yīng)力；（6）隔震墊必須進(jìn)行完整的試驗(yàn)以驗(yàn)證其性能。

隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)計和施工上都與傳統(tǒng)的非隔震結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別，將隔震技術(shù)成功應(yīng)用到實(shí)際工程中，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)范設(shè)計，并在施工時注意一些關(guān)鍵部位的構(gòu)造處理，選用合格的產(chǎn)品。例如疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的隔震層對施工的要求是比較嚴(yán)格的，隔震層的位移不能受任何原因的干擾和約束，施工時不能損傷隔震器及其附件，并要求隔震器安置有較高的水平度，以確保地震時隔震層能發(fā)生水平位移并瞬時復(fù)位。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代化社會的發(fā)展，建筑物的建筑裝飾與室內(nèi)的精密儀器設(shè)備在建筑物的總造價中所占比重越來越大，傳統(tǒng)的抗震方法在很多情況下已難滿足設(shè)計要求，以隔震技術(shù)為代表的結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)為人們展現(xiàn)了一條嶄新的抗震途徑。隔震技術(shù)概念簡單，減震效果顯著，安全可靠，適合于不同抗震要求的建筑物；隔震建筑在造價上和同類非隔震建筑相比沒有較大的提高。綜合各因素，隔震體系的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有著很大的潛力，是一種極具應(yīng)用價值的新技術(shù)，值得大力推廣。

[1]唐家祥，劉再華.建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震[M].廣州：華中理工大學(xué)出版社，1993.

[2]李立.中國工程抗震研究四十年[M].北京：地震出版社，2005.

[3]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[4]劉文光，周福霖.鉛芯夾層橡膠墊基本力學(xué)性能研究 [J].地震工程與工程振動，1999，19（1）：93~99.