論建筑隔震技術(shù)

摘 要：介紹了隔震建筑的發(fā)展及應(yīng)用，并著重論述了疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震技術(shù)，分析了低層建筑與高層建筑在隔震處理上的一些不同點(diǎn)，最后通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益的論證，證明了隔震建筑的廣泛應(yīng)用前景

關(guān)鍵詞：隔震 橡膠支座 經(jīng)濟(jì)

The seismic isolation technology for buildings

Abstract: This thesis introduces the development and application of the seismic isolation buildings with a focus on the technology of laminated rubber. And it analyzes the difference between the low-rise buildings and the high-rise buildings on the seismic isolation treatment . With the demonstration of the economy we finally come to a conclusion that the seismic isolation buildings have a bright future.

Keywords: seismic isolation;laminated rubber; economy

一、引言

地震是我們?cè)诮ㄔ旖ㄖ飼r(shí)永遠(yuǎn)不可避免的一個(gè)重要考慮因素，我國(guó)處于世界上兩大火山地震帶——環(huán)太平洋火山地震帶和歐亞火山地震帶之間，受太平洋板塊印度洋板塊以及歐亞板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。20世紀(jì)以來(lái)發(fā)生6級(jí)以上地震近800多次，遍布除貴州、浙江兩省和香港特別行政區(qū)以外的所有省市自治區(qū)直轄市。地震活動(dòng)頻率高、震源淺、強(qiáng)度大、分布廣，是一個(gè)震害非常嚴(yán)重的國(guó)家。1900年有記錄以來(lái)，我國(guó)死于地震的人數(shù)達(dá)到55萬(wàn)之多，占同期世界死于地震總?cè)丝诘?3％，地震成災(zāi)面積達(dá)到30多萬(wàn)平方公里，房屋倒塌近700萬(wàn)間。尤其是近期發(fā)生的汶川大地震使舉國(guó)震驚，我們清楚地見(jiàn)識(shí)到了地震的威力，大片房屋倒塌，大量的人員傷亡使我們迫切地意識(shí)到發(fā)展新型抵抗地震災(zāi)害的新方法和新技術(shù)的重要性。

傳統(tǒng)的抗震方法，主要是針對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，保證建筑物在規(guī)定的烈度范圍內(nèi)不發(fā)生破壞，這是一種剛性抗震結(jié)構(gòu)，其地震反應(yīng)是放大晃動(dòng)型，容易發(fā)生脆性破壞。而隔震技術(shù)是將過(guò)去的硬抗技術(shù)改為軟抗,是在建筑物底部和基礎(chǔ)頂部之間安放適當(dāng)?shù)木彌_物，使建筑物在受到地震波作用后的加速度反應(yīng)大大減弱，同時(shí)讓建筑物的位移主要由隔震系統(tǒng)承擔(dān)，從而使建筑物在地震中產(chǎn)生的變形非常小，以達(dá)到防護(hù)目的。一般來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)只是抗震結(jié)構(gòu)的1／4～1／12，大大提高了結(jié)構(gòu)的安全度。通過(guò)這種以柔克剛的方法可以使建筑物在地震中受到較小的傷害。

二、隔震技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過(guò)了早期的萌芽階段與現(xiàn)代的發(fā)展階段

（一）基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期階段

基礎(chǔ)隔震概念最早是由日本學(xué)者合浩藏于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發(fā)。

（二）基礎(chǔ)隔震的現(xiàn)代階段

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)，特別是近二三十年來(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。目前，世界上大約有30多個(gè)國(guó)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。截止目前，世界上大約已建成了3100多幢基礎(chǔ)隔震建筑。

常見(jiàn)的隔震技術(shù)有疊層橡膠支座技術(shù)、砂墊層隔震技術(shù)、石墨墊層隔震、摩擦滑移支座隔震及橡膠隔震支座與摩擦滑移支座聯(lián)合隔震。這其中發(fā)展較為迅速的是疊層橡膠墊支座隔震技術(shù)。

隔震橡膠支座是由一層鋼板一層橡膠層層疊合而成，并經(jīng)過(guò)加工使其緊密地連接在一起的。首先，隔震支座有高的豎向承載能力和較小壓縮的變形，可以保證建筑物的安全；此外疊層橡膠墊支座還有很大的水平方向的變形能力，在地震作用下可以隔離水平方向上的地震分量；第三隔震橡膠支座具有彈性復(fù)原特性，地震后可以使建筑物自動(dòng)恢復(fù)原位。采用隔震橡膠墊支座的建筑物，設(shè)防目標(biāo)一般可以增加一個(gè)等級(jí)，傳統(tǒng)抗震建筑的設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，而設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)隔震建筑可以做到“小震不壞，中震不壞或輕度破壞，大震不失去功能”

目前，我國(guó)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系發(fā)展迅速，已經(jīng)用在各種類型的建筑中，但是高層建筑與低多層建筑相比還有其一些本身的特點(diǎn)。首先，高層隔震建筑的上層結(jié)構(gòu)不能滿足剛體假定，高陣型反應(yīng)分量的影響不可以忽視，不能以結(jié)構(gòu)第一陣型為主確定上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)；二是由于高層超高層建筑的水平地震力產(chǎn)生的傾覆力矩較大，在較大強(qiáng)風(fēng)和地震力的作用下隔震支座中可能會(huì)有拉應(yīng)力產(chǎn)生如何避免隔震支座中拉應(yīng)力的產(chǎn)生成為一個(gè)重大問(wèn)題，第三是高層超高層建筑的自振周期都比較長(zhǎng)，所以必須進(jìn)一步延長(zhǎng)高層和超高層建筑的基本周期，已達(dá)到更好的效果，低彈性、大變形支座的開發(fā)在強(qiáng)震和強(qiáng)風(fēng)地區(qū)有很好的研究前景。

三、隔震技術(shù)在低層和多層建筑中的應(yīng)用

對(duì)于低層和多層建筑，由于其主要是磚砌體結(jié)構(gòu)體系，由于磚砌體的材料脆性性質(zhì)，其整體性極差，以及砌筑質(zhì)量的高離散型，其抗震性能較差，歷次震害統(tǒng)計(jì)中表明，砌體結(jié)構(gòu)受到的地震破壞最為嚴(yán)重，目前，在設(shè)計(jì)使用中，多層樓房局部躍層、錯(cuò)層越來(lái)越多，沿街大多出現(xiàn)底框建筑，抗震性能極差，居民裝修使結(jié)構(gòu)的損害較大，在地震來(lái)臨時(shí)其抗震性能令人擔(dān)憂。從下表中我們可以看到隔震技術(shù)主要應(yīng)用于低層和多層建筑中。

序號(hào) 地點(diǎn) 層數(shù) 結(jié)構(gòu)類型 建成時(shí)間 高度

1 汕頭 8 R.C框架 1993 27

2 西昌 6 砌體混合 1994 17

3 澄海 8 R.C框架 1995 26

4 廣州 7 R.C框架 1997 21

5 太原 9 R.C框架 1997 29

6 太原 20 R.C框架 1997 64

7 杭州 7 底框 1997 22

隔震在我國(guó)部分地區(qū)住宅中的應(yīng)用

近20年來(lái)，基礎(chǔ)隔震技術(shù)在工程中得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2003年僅日本就已經(jīng)建成1300多棟隔震建筑，我國(guó)到現(xiàn)在也建設(shè)了300多棟隔震建筑，與傳統(tǒng)抗震建筑相比，采用隔震技術(shù)的建筑物的安全性和減震效果在幾次地震中得到檢驗(yàn)隔震建筑的最大水平加速度僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/3～1/5。

從技術(shù)方面來(lái)講，隔震技術(shù)的研究在抗震技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中發(fā)展較早，目前，已經(jīng)相當(dāng)成熟，包括中國(guó)在內(nèi)的世界上許多國(guó)家都已經(jīng)制訂了隔震建筑設(shè)計(jì)的規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是，從工程普及角度講還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

首先是經(jīng)濟(jì)方面的考慮，在工程抗震界，以往的研究大多集中于抗震理論和設(shè)計(jì)方法的研究，而對(duì)具體的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)做的不夠，這樣往往導(dǎo)致研究與實(shí)際工程脫節(jié)，使得大部分的人認(rèn)為采用隔震體系會(huì)導(dǎo)致建筑物的工程造價(jià)大大提高，其實(shí)正好相反，采用隔震技術(shù)建造的房屋從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度講會(huì)使建筑物的成本下降。

同非隔震建筑相比，基礎(chǔ)隔震建筑在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面有了一些變化。

第一，在結(jié)構(gòu)造價(jià)方面，增加的部分有隔震部分的設(shè)計(jì)費(fèi)用；隔震構(gòu)件的費(fèi)用；隔震層上增加一層樓面的費(fèi)用；隔震層引起的工程量的增加費(fèi)用。但是由于利用了隔震技術(shù)使得基礎(chǔ)費(fèi)用降低，由于隔震技術(shù)使得上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)增加了一個(gè)等級(jí)，使得墻體變薄，結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用上也變少，帶來(lái)了一定的費(fèi)用降低。

第二，由于現(xiàn)在主要使用的是疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震技術(shù)，而橡膠是一種極易老化的材料，一般的使用壽命最多達(dá)到60年，所以使用基礎(chǔ)隔震技術(shù)相應(yīng)的增加了維護(hù)和拆除的費(fèi)用。

第三，由于隔震技術(shù)使得上部結(jié)構(gòu)墻體變薄，相應(yīng)的帶來(lái)的效果就是使用面積的增大。

第四，采用隔震技術(shù)一般可以使建筑物的高度增加一層，這樣就可以帶來(lái)很可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

第五，我們分析建筑的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)不僅僅要分析表面上看得著的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，還要研究其隱含的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。隔震技術(shù)能夠降低房屋的地震作用，使房屋在地震中不易破壞。同時(shí)也能減少地震所引起的火災(zāi)等次生災(zāi)害，城市癱瘓、社會(huì)長(zhǎng)期不安等，尤其是人員傷亡（據(jù)統(tǒng)計(jì)，在地震中所導(dǎo)致的人員傷亡90℅都是由于房屋倒塌造成的），而隔震技術(shù)能很好地減少這些次生災(zāi)害。

再次，是基礎(chǔ)隔震技術(shù)對(duì)技術(shù)要求相當(dāng)?shù)膰?yán)格，就拿疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震支座來(lái)說(shuō)：（一）疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的動(dòng)力特性不僅隨著結(jié)構(gòu)體系的不同而變化，而且與安放位置的不同也發(fā)生變化，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)不但要進(jìn)行相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)，而且要從多個(gè)角度進(jìn)行動(dòng)力分析，合理、準(zhǔn)確地把握動(dòng)力響應(yīng)才能保證做出準(zhǔn)確安全的設(shè)計(jì)。（二）在隔震結(jié)構(gòu)中要真正做到基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)隔離，還需要進(jìn)行一些關(guān)鍵部位的構(gòu)造處理。如低層樓梯與主體結(jié)構(gòu)的隔離處理；上下水、煤氣、供暖及配電管道穿越隔震層時(shí)的柔化處理。有一方面處理不當(dāng)，都會(huì)使結(jié)構(gòu)在地震中遭到巨大的損失。（三）除此之外，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震層對(duì)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(shí)不能損傷隔震器及其附件，并要求隔震器的安裝要有較高的水平度以保證在受到地震作用時(shí)能夠完成復(fù)位。

四、結(jié)論

綜合分析可以知道，基礎(chǔ)隔震建筑大大降低地震災(zāi)害，由于上部地震作用減少，結(jié)構(gòu)跨度、進(jìn)深可增大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件減小使得房屋的使用面積增大，雖然房屋的建設(shè)費(fèi)用增加了一些，但與所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益相比，較少的增加了結(jié)構(gòu)造價(jià)，較大地增加了經(jīng)濟(jì)效益。綜合經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，尤其是在降低社會(huì)損失方面，其效果更加明顯。有專家從廣州、太原、西昌等地隔震技術(shù)建造的房屋進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估后得知，隔震房屋比傳統(tǒng)抗震房屋節(jié)省土建造價(jià)為：7度減少1%～3%，8度減少5%～15%，9度減少10%～20%。特別是在高烈度區(qū)，采用隔震技術(shù)可以比采用原來(lái)的隔震技術(shù)在原有基礎(chǔ)上多建造1到2層，土地更加節(jié)約，帶來(lái)了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

隔震建筑與傳統(tǒng)的抗震建筑相比，不論是在減小地震災(zāi)害還是在經(jīng)濟(jì)方面都有其較大的優(yōu)勢(shì)，故隔震建筑是未來(lái)建筑控震的發(fā)展趨勢(shì)，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在存在于隔震建筑中的一些難點(diǎn)如疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震技術(shù)在高層建筑中遇到的如拉應(yīng)力的處理，以及高壽命橡膠的研究都是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張樹忠,董福琳.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減少地震力影響的措施[J].低溫建筑技術(shù).2009,6.

[2]葛鵬.我國(guó)住宅中隔震技術(shù)的應(yīng)用[J].特種結(jié)構(gòu).2005,4.

[3]高峰.隔震：建筑工程抗震新技術(shù)[J].生命與災(zāi)害.2009,5.

[4]谷達(dá)偉.隔震施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用[J].山西建筑.2008,34（12）.

[5]呂百齡,李和平.隔震橡膠支座的特性和應(yīng)用[J].減震橡膠.第25卷第4期

[6]衛(wèi)彩霞,吳會(huì)平,吉柏峰.基礎(chǔ)隔震建筑的全壽命經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的研究[J].特種結(jié)構(gòu).2009, 3.

[7]魯紅濤.基礎(chǔ)滑移隔震技術(shù)在多層建筑中的應(yīng)用[J].陜西建筑。2004,4.

[8]王東衛(wèi),張燕,李永剛.建筑隔震橡膠支座的原理及工藝研究[J].減震橡膠。第25卷第3期

[9]丁運(yùn)芳.建筑基礎(chǔ)隔震加固技術(shù)分析[J].四川建材.2009,148.

[10]劉永勝,魏雪梅.磚混結(jié)構(gòu)隔震橡膠墊施工技術(shù)[J].山西建筑。2007, 13.

作者簡(jiǎn)介：

包立新（1967-），男，蒙古族，1990年畢業(yè)于呼倫貝爾城建中專工民建專業(yè)，2006年畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程專業(yè)， 呼倫貝爾市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站工程師。研究方向： 工程質(zhì)量監(jiān)督。