我國(guó)建筑物減震隔震研究現(xiàn)狀與發(fā)展

吳世躍

(西山煤電集團(tuán)公司官地礦)

我國(guó)建筑物減震隔震研究現(xiàn)狀與發(fā)展

吳世躍①

(西山煤電集團(tuán)公司官地礦)

闡述了建筑物減震隔震的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn),在論述了基礎(chǔ)滑移隔震技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上,針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的幾種滑移隔震裝置的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié),介紹了我國(guó)滑移隔震的應(yīng)用情況及隔震構(gòu)造。根據(jù)我國(guó)滑移隔震技術(shù)研究和應(yīng)用情況,從理論分析和工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了綜述,表明滑移隔震技術(shù)是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)減震形式。應(yīng)加大研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)力度,對(duì)技術(shù)成熟的滑移隔震裝置編制相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),以利于工程應(yīng)用。

建筑結(jié)構(gòu);摩擦;滑移;隔震;現(xiàn)狀;研究;應(yīng)用;發(fā)展

2008年5月12日四川汶川發(fā)生8.0級(jí)地震,根據(jù)地震災(zāi)區(qū)的信息披露表明,汶川大地震中的人員傷亡,大部分是因?yàn)楣S、辦公樓、學(xué)校、住宅等房屋倒塌造成的,由此可以看出,隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展,城鎮(zhèn)聚集的人口密度也在隨之上升。因此,汶川大地震的警示之一,就是應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注建筑物減震隔震的研究應(yīng)用。

在抗震防災(zāi)中,傳統(tǒng)方法還是停留在“堵”上,即通過(guò)提高結(jié)構(gòu)承載力和延性來(lái)抗御地震;而采用“疏”的辦法則是近年的事,也就是將地震運(yùn)動(dòng)輸入的能量部分轉(zhuǎn)移到隔震元件或減震構(gòu)件上。

目前,房屋抵抗倒塌主要依靠結(jié)構(gòu)自身的累積耗能和損壞來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著社會(huì)進(jìn)步,即使能減少地震中人員的傷亡,但由結(jié)構(gòu)破壞造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失及其引發(fā)的次生災(zāi)害變得日益嚴(yán)重和難以承受,它極大地妨礙著社會(huì)發(fā)展。近20年來(lái),世界上逐漸轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)減震隔震的研究應(yīng)用,已取得較好進(jìn)展。試驗(yàn)研究表明,通過(guò)適當(dāng)?shù)臏p震控制措施,在地震中特別是“大震”作用下,結(jié)構(gòu)的地震作用可大大降低,能有效防御地震災(zāi)害。在地震工程中,走抗震與減震相結(jié)合的道路,將是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

1 結(jié)構(gòu)滑移隔震的概念

國(guó)內(nèi)外采用的隔震措施可分為兩類:橡膠墊支座隔震和滑移隔震。前者一般為多層橡膠之間夾以薄鋼板,中央加鉛芯。這種結(jié)構(gòu)能加長(zhǎng)房屋自振周期,使其遠(yuǎn)離地震波特征周期,減小地震作用,并具自動(dòng)復(fù)位功能。后者是在基礎(chǔ)或?qū)娱g等部位設(shè)置低摩擦的滑移元件和限位件等,通過(guò)相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)和摩擦耗能而有效限制地震能量向上部傳遞和向下部反饋。該方法受力可靠,造價(jià)不斷降低,施工難度不大,并可考慮鋼件的防銹、損壞更換問(wèn)題,但需設(shè)置復(fù)位機(jī)構(gòu)。

根據(jù)滑移支座設(shè)置位置,滑移隔震可分為基礎(chǔ)滑移隔震和層間滑移隔震。關(guān)于基礎(chǔ)滑移隔震,最早是由日本學(xué)者河合浩藏于1881年提出的,認(rèn)為先在地基上縱橫交錯(cuò)放置幾層圓木,圓木上做混凝土基礎(chǔ),再在混凝土基礎(chǔ)上蓋房,以削弱地震傳遞的能量。1909年,美國(guó)的J·A·卡蘭特倫茨提出了另外一種隔震方案,即在基礎(chǔ)與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母,這樣地震時(shí)建筑物會(huì)發(fā)生滑動(dòng),以達(dá)到隔離地震的目的。1921年,美國(guó)工程師F·L·萊特在設(shè)計(jì)日本東京帝國(guó)飯店時(shí),有意用密集的短樁穿過(guò)表層硬土,直接插到軟泥土層底部,利用軟泥土層作為隔震層。1923年關(guān)東大地震發(fā)生,附近同類建筑毀壞嚴(yán)重,但這個(gè)建筑卻保持完好。1924年,日本的鬼頭健三郎提出了在建筑物的柱腳與基礎(chǔ)之間插入軸承的隔震方案。1927年,日本的中村太郎論述了加裝阻尼器吸能裝置,在隔震理論方面進(jìn)行了有益的探索。在這一階段,雖然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理論基礎(chǔ),但限于當(dāng)時(shí)的水平與條件,基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用未被很好地研究與開(kāi)發(fā)。實(shí)際震害中出現(xiàn)過(guò)因基礎(chǔ)設(shè)有油氈防潮層產(chǎn)生水平剪切縫導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)滑移而保存的震例。這些啟發(fā)了人們對(duì)滑移隔震的研究。

隨著地震工程理論的逐步建立以及實(shí)際地震對(duì)結(jié)構(gòu)工程的進(jìn)一步考驗(yàn),特別是近20～30年來(lái),由于采用大量的強(qiáng)震記錄儀對(duì)地震進(jìn)行觀測(cè),使人們較快地積累了有關(guān)隔震及非隔震結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)驗(yàn),從而對(duì)早期提出的一些隔震方法進(jìn)行了淘汰與升華。其中疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系被認(rèn)為是隔震技術(shù)邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w系。1984年,新西蘭建造了世界上第一幢以鉛芯疊層橡膠墊作為隔震元件的4層建筑物。1985年,美國(guó)建成第一座4層的疊層橡膠墊隔震大樓加州·圣丁司法事務(wù)中心。1986年,日本又建成一幢5層高技術(shù)中心樓,采用鉛芯橡膠墊。1994年1月17日,在美國(guó)發(fā)生的洛杉磯地震,震級(jí)為6.7級(jí),傷亡超過(guò)7 000人,損失很大。大多數(shù)醫(yī)院因建筑內(nèi)部設(shè)備損壞而失去使用功能。與此相反,USC University醫(yī)院是一個(gè)地下1層、地上7層的隔震建筑。地震中該建筑內(nèi)的各種儀器設(shè)備均未損壞,甚至花瓶也沒(méi)有一個(gè)掉下來(lái)。該醫(yī)院起到了救護(hù)中心的作用,減少了地震損失。之后的1995年1月17日,日本阪神發(fā)生了7.2級(jí)地震,是日本戰(zhàn)后最大的地震災(zāi)害。地震又一次考驗(yàn)了基礎(chǔ)隔震建筑。震區(qū)內(nèi)有兩棟基礎(chǔ)隔震建筑,一個(gè)為郵政樓,一個(gè)是研究所。同樣神奇的是,基礎(chǔ)隔震建筑不僅結(jié)構(gòu)保持完好無(wú)損,內(nèi)部設(shè)施也完全正常。基礎(chǔ)隔震技術(shù)在地震中的卓越表現(xiàn),大大推動(dòng)了這一技術(shù)的研究應(yīng)用。

目前,世界上大約有30多個(gè)國(guó)家在開(kāi)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。截止目前,世界上大約已建成了3 100多幢基礎(chǔ)隔震建筑,其中80%以上采用的是疊層橡膠墊隔震系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來(lái),基礎(chǔ)隔震研究開(kāi)始在我國(guó)得到重視,國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)國(guó)際上流行的基礎(chǔ)隔震體系進(jìn)行了研究,取得了較大的進(jìn)展。1993年我國(guó)在8度區(qū)設(shè)計(jì)建造了7層滑移隔磚房,并進(jìn)行了油壓千斤頂水平滑移試驗(yàn),取得成功,將我國(guó)基礎(chǔ)滑移隔震的研究應(yīng)用向前推進(jìn)了一步?，F(xiàn)在,中國(guó)人民解放軍83235部隊(duì)科技樓、宿遷市勞動(dòng)局綜合樓、邯鄲市釜山房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司住宅樓等2 000余幢各類基礎(chǔ)隔震體系的建筑物已建成。我國(guó)已建造了2 000余幢各類基礎(chǔ)隔震體系的建筑物,有疊層橡膠墊隔震體系、砂墊層滑移摩擦體系、石墨砂漿滑移體系、懸掛隔震結(jié)構(gòu)體系等,其中絕大多數(shù)采用的是粘結(jié)型疊層橡膠墊隔震體系?，F(xiàn)代隔震技術(shù)經(jīng)歷了30年的歷程,得到了廣泛的應(yīng)用,目前隔震技術(shù)的應(yīng)用程度在日本等國(guó)家,已經(jīng)成為建筑的主導(dǎo);我國(guó)在2008年(應(yīng)用面積)首次超過(guò)日本。

2 滑移隔震的理論和試驗(yàn)研究

1)剛體隔震。對(duì)隔震建筑物,當(dāng)自震周期很小(如0.1 s以下)時(shí),可將被隔震體當(dāng)作剛體考慮。剛體由相對(duì)支承體靜止到開(kāi)始滑動(dòng)的充要條件是剛體慣性力大于最大靜摩擦力;而滑動(dòng)到停止滑動(dòng)的充要條件是慣性力不大于動(dòng)摩擦力且相對(duì)滑動(dòng)速度為0。據(jù)此,剛體的滑移反應(yīng)可由滑移運(yùn)動(dòng)方程用數(shù)值積分法得到。研究表明:

a)摩擦作為一種阻尼,同樣也使滑移反應(yīng)滯后于輸入波。b)當(dāng)輸入周期波的幅值足夠大時(shí),產(chǎn)生正反交替的斷續(xù)滑動(dòng)以至連續(xù)滑動(dòng),其間,剛體最大加速度介于fdg和fsg之間(其中fd為滑移面動(dòng)摩擦系數(shù),fs是最大靜摩擦系數(shù),g是重力加速度),且基本不受輸入波特性影響。c)滑移量直接受摩擦性能和輸入波特性影響。地震波能引起滑移的脈沖數(shù)多少、脈沖面積及波的平穩(wěn)性大小等均影響滑移反應(yīng)及其殘余量。

2)單質(zhì)點(diǎn)體系隔震。當(dāng)結(jié)構(gòu)基本周期較長(zhǎng)(如大于0.1 s),相對(duì)于輸入波有較顯著彈性特征時(shí),其動(dòng)力反應(yīng)對(duì)滑移支承有明顯的彈性反饋?zhàn)饔?同時(shí)支座滑移又顯著影響上部反應(yīng)。而且滑動(dòng)時(shí)動(dòng)力反應(yīng)特征有較大變化,故與剛體隔震運(yùn)動(dòng)規(guī)律有很大差別。另外由于摩擦滑移的存在,使振動(dòng)體系成為阻尼非線性和半定體系。我國(guó)已做了一定的理論和試驗(yàn)研究。分析中一般采用集中質(zhì)量的剪切模型,有的還考慮了平扭耦連的影響?；婆袆e原則對(duì)單質(zhì)點(diǎn)體系與剛體類同,一般根據(jù)兩種狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程,用逐步積分法分析滑移反應(yīng)。

單質(zhì)點(diǎn)體系的下列特點(diǎn)值得注意:

a)當(dāng)?shù)撞枯斎氩ǚ^小時(shí),支座無(wú)滑移,上部反應(yīng)與底部固定時(shí)相同。b)當(dāng)輸入加速峰值超過(guò),fsg/β(β為底部固定時(shí)放大系數(shù))以后,開(kāi)始滑移。而質(zhì)點(diǎn)最大反應(yīng)加速度則為fdg疊加某些高頻衰減振動(dòng)。因而起始滑動(dòng)與峰值、頻譜(或者說(shuō)與場(chǎng)地特征有關(guān),而滑移中最大加速度反應(yīng)則僅與摩擦面有關(guān),且不存在共振問(wèn)題,故與剛體比較,既有相似之處,又有截然不同的特點(diǎn)。

3)隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定?；聘粽鸾Y(jié)構(gòu)由于在支座處上下斷開(kāi),極易產(chǎn)生傾覆失穩(wěn)問(wèn)題。若無(wú)附加抗傾覆措施,地震下的抗傾覆力矩只有自重來(lái)提供。一個(gè)判斷結(jié)構(gòu)能否保證絕對(duì)不傾覆的準(zhǔn)則是地震傾覆力矩不大于抗傾覆力矩。其中靠自重抗傾覆穩(wěn)定(或者說(shuō)抗搖擺振動(dòng))的判別條件為r≥fSH。(r為結(jié)構(gòu)重心到支座外緣的水平距離,H0為地震作用合力到滑移支座的豎向距離)。當(dāng)該條件不滿足時(shí),則應(yīng)采取附加措施對(duì)支座或上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)。

3 滑移隔震裝置

滑移元件是隔震支座的關(guān)鍵裝置,一方面它承受上部結(jié)構(gòu)的全部重力荷載,故要求有足夠的豎向承載力;另一方面為了有效隔震,最重要的是必須有較低的摩擦系數(shù)。此外滑移件還需有一定的自由滑動(dòng)范圍以滿足滑移量要求。

常見(jiàn)的滑移件基本上由上、下鋼承板和中部滑移板(或涂層)組成。單面滑移件,中部滑板(或涂層)常貼焊(或粘涂)在上、下承板上,因而只有一個(gè)滑移摩擦面。另外在滑移件上部或下部可設(shè)置橡膠薄層以減小轉(zhuǎn)動(dòng)影響并可有豎向緩沖減震作用。摩擦面材料很多,如柔性石墨涂層、聚四氟乙烯板或其涂層,復(fù)合聚四氟乙烯以及不銹鋼板等。這些材料性能各異,其中摩擦系數(shù)及其離散性能穩(wěn)定性及豎向承載能力是性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志,有些摩擦系數(shù)可達(dá)0.07以下,另外上、下承板除用鋼板外,還可考慮用高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土和環(huán)氧砂漿等,其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)銹蝕,維護(hù)費(fèi)低,耐久性好。

此外,骨移支座也有以面接觸為特征的滑移縫,如砂粒滑移縫、水泥砂漿—油氈滑移縫等。

另一種輔助裝置為限位耗能元件。它不承受豎載,在水平荷載下起限位及保證風(fēng)載下穩(wěn)定作用,并可耗能。彈塑性限位件常見(jiàn)有變截面鋼桿、“U”形熱軋鋼板等,其滯回曲線飽滿,制作施工方便,造價(jià)低,另外還有扭轉(zhuǎn)梁、液壓阻尼器以及用橡膠墊承受少量豎載并限位者。有的將滑移和限位功能一體化。國(guó)外資料中剛性限位裝置也被采用。

4 滑移隔震的應(yīng)用

隔震房屋的設(shè)計(jì)應(yīng)用主要是滑移支座和限位件設(shè)計(jì)。若滑移摩擦足夠低,還可突破現(xiàn)抗震規(guī)范(GBJll-89)有關(guān)層數(shù)等限制的條款。其中,西安8度抗震設(shè)防區(qū)的7層大開(kāi)間(7.8 m×6.0 m)基礎(chǔ)隔震磚房則為典型實(shí)例。

較有發(fā)展前途的基礎(chǔ)滑移縫是采用在有限個(gè)“點(diǎn)”處設(shè)置滑移支承。原因在于節(jié)省材料便于檢修,當(dāng)?shù)鼗痪鶆虺两禃r(shí)有可能保持各處滑移面各自水平。一般把滑移縫設(shè)于基礎(chǔ)頂部、室內(nèi)外地坪之間,或設(shè)于地下室樓蓋下部?；瓶p上下設(shè)圈梁或框架梁、梁板體系等,形成平面內(nèi)剛度很大或整體性很好的傳力層和持力層。這樣,上部將結(jié)構(gòu)地震水平剪力經(jīng)分配調(diào)整傳遞到各滑移件,使支座各點(diǎn)一致滑動(dòng),同時(shí)將墻體自重以墻梁形式傳遞到滑移件上;而下部則承受各滑移支座的集中豎載和水平荷載并傳遞到基礎(chǔ)中去。

滑移件設(shè)計(jì)選用時(shí),其摩擦材料及摩擦系數(shù)應(yīng)滿足隔震設(shè)防要求,并應(yīng)進(jìn)行滑移量及豎向承載力設(shè)計(jì),確定型號(hào)數(shù)量。支座點(diǎn)位置應(yīng)按自重分布情況布置。一般設(shè)于縱橫墻交接處、外墻四角、框架柱下端、長(zhǎng)墻段或大跨梁中部及其它受力復(fù)雜處?；萍拖尬患朔珠_(kāi)設(shè)置,以便于設(shè)計(jì)和檢修。

在滑移隔震工程中,施工完畢時(shí)部分工程的整體水平滑移檢驗(yàn)和震后殘余滑移量的人工復(fù)位是兩個(gè)重要的、人們關(guān)心的問(wèn)題,具有直觀意義。

對(duì)底部框架上設(shè)滑移縫的層間隔震結(jié)構(gòu),我國(guó)正開(kāi)始著手研究開(kāi)發(fā),具有較好發(fā)展前途。對(duì)高寬比較大的高聳結(jié)構(gòu),當(dāng)在滑移縫外自重抗傾覆不能滿足時(shí),還須作附加抗傾覆設(shè)計(jì)。其構(gòu)造可有多種,但原則為只抗傾覆,不妨礙滑移,一種較好的做法是柔性錨固。其中彈簧墊的存在能夠產(chǎn)生一定的踏步式減震和消能。

需特別指出的是,采用滑移隔震的建筑物,其隔震設(shè)計(jì)必須首先確?！靶≌鸩粔摹钡幕驹O(shè)防原則。在強(qiáng)震作用下本文提議以“大震復(fù)位易修”的設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。即隔震結(jié)構(gòu)在遭遇高于本地區(qū)設(shè)防烈度的、預(yù)估的罕遇地震影響時(shí),除滑移縫外,一般不受損壞,經(jīng)復(fù)位或隔震裝置的檢修更換及其它的一般修理仍可繼續(xù)使用。關(guān)于滑移隔震結(jié)構(gòu)的地震可靠度,由于隔震效果顯著使得地震作用及隨機(jī)性大大減小,從而其可靠度較非隔震減震結(jié)構(gòu)的可靠度(特別是“大震”下)有較大提高,目標(biāo)地震可靠指標(biāo)有望增大,在一定條件下,可使地震設(shè)防區(qū)結(jié)構(gòu)層數(shù)限值提高。

5 結(jié) 論

對(duì)滑移隔震技術(shù),國(guó)內(nèi)外已做了較多工作,我國(guó)也正積極大膽嘗試應(yīng)用,這是令人欣慰的。然而尚待深入研究的問(wèn)題還很多,比如,性能優(yōu)良的低摩擦材料的研制,支座鋼件的防銹維護(hù)代替材料的開(kāi)發(fā),結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)模擬地震檢驗(yàn),地基不均勻沉降時(shí)支座的自適應(yīng)調(diào)節(jié),層間隔震結(jié)構(gòu)的研究,設(shè)計(jì)規(guī)程編制和軟件開(kāi)發(fā)等?？偟膩?lái)說(shuō),人們比較普遍關(guān)注擔(dān)心的問(wèn)題是實(shí)際隔震中強(qiáng)地震作用下工作性能究竟如何?這有待已有和新建隔震房屋經(jīng)受實(shí)際地震考驗(yàn)。

隨著人們認(rèn)識(shí)的加深和社會(huì)發(fā)展,走抗震與減震相結(jié)合的道路是發(fā)展的必然趨勢(shì)?；聘粽鸺夹g(shù)的優(yōu)勢(shì)是大提高了“大震”下的結(jié)構(gòu)可靠性,并在地震設(shè)防區(qū)尤其是高烈度區(qū)可突破非減震時(shí)的層數(shù)等限制,不失為一個(gè)超規(guī)范研究的方向,其發(fā)展前景是廣闊的。目前該技術(shù)推廣的主要障礙是造價(jià)問(wèn)題。若其它因素不變,只增設(shè)滑移裝置,其造價(jià)比原造價(jià)約增加10%～15%。我國(guó)是個(gè)多地震的國(guó)家,若采取有關(guān)措施(如降低隔震裝置成本、提高建筑效益或挖掘其它方面潛力等),使造價(jià)降到5%以下,則對(duì)面廣量大的多高層砌體或底部框架結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)推廣這一技術(shù)是適合國(guó)情的,將會(huì)有效減輕地震破壞和倒塌,滑移隔震技術(shù)也將得以迅速發(fā)展。

[1] 程 文,陸 勤.結(jié)構(gòu)自控的概念和方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),1991,21(4):53-58.

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[3] 李 立,劉德馨.建筑物的滑動(dòng)隔震[M].北京:地震出版社,1991:60-69.

Research Current Situation and Development on Shock Absorption and Seismic Isolation of Building in Our Country

Wu Shi-yue

Expounds research current situation and characteristics of shock absorption and seismic isolation of building,discusses the basic principles of foundation sliding seismic isolation technique,in connection with the characteristics of common several sliding seismic isolation devices currently in domestic and foreign carries out analyzing and summary,introduces the application of our sliding and base-isolated structure.According to research and application of China’s sliding seismic isolation technology,from the theoretical analysis and engineering application areas are reviewed,indicates that sliding seismic isolation technology is the structural shock absorption form with great development potential.Should increase the vigor of research and technology development,work out the corresponding industry specifications and standards to sliding seismic isolation devices of technology mature,facilitate engineering applications.

Buildingstructure;Friction;Slip;Seismic isolation;Currentsituation;Research; Application;Development

book=3,ebook=88

TD22

A

1672-0652(2010)03-0045-04

2010-01-20

吳世躍 男 1979年出生 2002年畢業(yè)于大同職業(yè)技術(shù)學(xué)院 助理工程師 太原 030022