低造價農(nóng)居隔震結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀綜述★

孫 靜 余聰杰 譚 明

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011; 2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

我國是一個多地震國家，地震烈度6度及其以上地區(qū)的面積占全國國土總面積的79%。破壞性地震大多數(shù)發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，地震造成的死亡人員近60%為農(nóng)村人口。因此地震是威脅農(nóng)村居民生命和財產(chǎn)安全的突出自然災(zāi)害。由于受社會和經(jīng)濟發(fā)展水平的限制，農(nóng)民住房抗震能力非常差，中國廣大農(nóng)村基本不設(shè)防?！靶≌鹬聻?zāi)”甚至“小震大災(zāi)”，是中國農(nóng)村地震災(zāi)害的顯著特點?？v觀國內(nèi)外強震活動的經(jīng)驗教訓(xùn)，如果采用合理的結(jié)構(gòu)形式或者實施一定的抗震措施，完全可以避免或者減少大量人員傷亡。加強經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的村鎮(zhèn)地區(qū)農(nóng)居抗震能力已是一個十分緊迫的問題[1]。隔震技術(shù)是通過在建筑物的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置柔性隔震層，利用隔震層的柔性變形和阻尼性能延長結(jié)構(gòu)自振周期，吸收地震能量，從而減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。目前，疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)是比較成熟且應(yīng)用廣泛的隔震技術(shù)。但由于造價較高，且構(gòu)造復(fù)雜，施工難度較大等原因不適用于農(nóng)居建設(shè)的推廣應(yīng)用。考慮到我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展情況等現(xiàn)實因素，一方面要求農(nóng)居具備一定的抗震能力;另一方面要求在確保質(zhì)量的前提下，施工簡便，造價低廉，后期維護成本低?？紤]到以上要求，當前我國學(xué)者主要在以下幾個方面展開了研究。

1 砂墊層隔震技術(shù)

砂墊層隔震是在建筑物基礎(chǔ)和地基之間鋪設(shè)一定厚度和密實度的砂或石墊層。地震作用時，通過砂石的大幅變形來消耗地震能量，減小地震動對建筑物的破壞。李立于20世紀60年代首先提出砂墊層隔震思想，并于20世紀70年代中后期建成第一棟砂墊層磚混隔震建筑。當時我國經(jīng)濟尚不發(fā)達，以砂這種價格低廉的摩擦材料作為隔震層是切實可行的。

改革開放以來，伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進步，不斷有學(xué)者嘗試對砂墊層隔震技術(shù)進行改進研究。竇遠明等對砂墊層的隔震性能進行了理論分析和實驗研究，結(jié)果表明砂墊層在地震過程中產(chǎn)生塑性剪切變形，剪切波通過砂墊層得到一定的衰減，致使上部結(jié)構(gòu)地震作用得到減小;砂墊層在振動型地震動作用下的減震性能好于沖擊性，且輸入地震動的平均頻率越高，砂墊層的濾波作用越強[2]。此外，竇遠明等還對砂墊層厚度以及基底壓力對地面地震反應(yīng)的影響進行了研究，結(jié)果表明砂墊層厚度在減震效果中并不一定起主要的作用，且基底壓力的大小與減震效果無關(guān)[3]。

劉曉立等研究了輸入地震動對砂墊層隔震的影響，計算結(jié)果表明:輸入的地震波類型不同砂墊層的減震效果也不同，地震波的波型和頻譜特性對于砂墊層的減震效果起著重要作用[4]。劉曉立等還對砂墊層剛度對地面地震反應(yīng)的影響進行了研究，結(jié)論證明砂墊層在松散狀態(tài)下的減震效果比較好[5]。

趙少偉等從振動臺試驗研究中發(fā)現(xiàn)，單一粒徑的隔震效果相對連續(xù)級配的要好，同時還發(fā)現(xiàn)在單一粒徑的情況下，無論砂墊層的厚度如何變化，5.0 mm粒徑砂墊層總能獲得較為理想的隔震效果，分析原因是較大粒徑的砂粒之間粘聚力較差的緣故，如果選用篩選的圓粒砂，將可能有更好的隔震效果[6]。

也有學(xué)者對砂墊層的材料進行了改進。尚守平等利用廢棄橡膠顆粒和砂按一定體積比混合形成混合物墊層作為隔震材料，并進行了振動臺試驗。結(jié)果表明，橡膠顆粒與砂的混合物在地震動時發(fā)生塑性變形，減少了地震波高頻分量的輸入，有效的耗散了地震能量，使變形集中于隔震層，對上部結(jié)構(gòu)起到了減震作用。

砂墊層隔震造價較低、耐久性好、取材方便、干濕滑移性能不變。雖然對砂墊層隔震技術(shù)的研究取得了一些進展，但仍有待進一步完善。今后應(yīng)重點在砂墊層隔震滑移變形的機理和計算模型問題上加以突破，建立科學(xué)有效的分析設(shè)計方法，使砂墊層隔震技術(shù)能在農(nóng)居建設(shè)中得到更好的應(yīng)用。

2 瀝青層隔震技術(shù)

瀝青作為建筑材料，具有較高的彈性性能、良好的抗疲勞性能和較大的阻尼比，是一種良好的隔震材料。目前，瀝青在隔震技術(shù)方面的應(yīng)用主要為改性瀝青隔震墊及鋼筋—瀝青復(fù)合隔震層。

在國內(nèi)，錢國楨等人首先提出以瀝青作為隔震層主要材料的低造價的隔震技術(shù)，并據(jù)此研制了改性瀝青隔震墊[9]。它主要的構(gòu)造由三部分組成，中心胎為一層或數(shù)層石棉布(或麻布)，其上下涂以瀝青混合料，其外用塑料薄膜封閉，厚3 mm～7 mm?？芍瞥蓤A形、正方形或長方形。與疊層橡膠隔震墊相比，改性瀝青隔震墊造價較低，施工方便，對以磚混建筑為主的村鎮(zhèn)農(nóng)居來說是一種簡單有效廉價的隔震途徑。它自身較大的阻尼比，可明顯衰減地震反應(yīng)。由于經(jīng)過加載循環(huán)后，部分動能轉(zhuǎn)換成熱能而使瀝青制品軟化，所以其側(cè)向剛度在經(jīng)過多次剪切加載循環(huán)后呈遞減趨勢，而其阻尼比呈遞增趨勢。這種變化對保證隔震安全是大有益處的。而且改性瀝青隔震墊破壞形式穩(wěn)定，不會產(chǎn)生明顯的突變和傾斜，所以它是一種安全的隔振墊，不會對上部結(jié)構(gòu)造成破壞。此外，錢國楨等人還對改性瀝青隔震墊的耐久性能和設(shè)計方法做了深入研究，并做了振動臺實驗。結(jié)果表明改性瀝青隔震墊能夠滿足一般剛性較大建筑的隔震要求，適宜于在村鎮(zhèn)民居中推廣應(yīng)用。

鋼筋—瀝青復(fù)合隔震層首先由尚守平等提出[11]。鋼筋—瀝青復(fù)合隔震層位于新建建筑底圈梁與基礎(chǔ)之間。在其間布置一定數(shù)量的鋼筋，在鋼筋之間填充瀝青油膏，并隔一定的間距設(shè)置磚墩。隔震層的高度宜控制在180 mm～300 mm，隔震鋼筋直徑不宜太大，一般為6 mm～10 mm，磚墩低于隔震層10 mm左右。此方法原理明確，即利用鋼筋在水平方向的彈性剛度較豎向的彈性剛度小很多而起到水平向的隔震作用。在多遇地震作用下，隔震層內(nèi)的鋼筋處于彈性狀態(tài)，具有恢復(fù)力，上部結(jié)構(gòu)在隔震層以上做彈性水平往復(fù)振動。隔震層消耗了大量的地震能量，上部結(jié)構(gòu)受的地震作用很小，甚至只有彈性變形沒有破壞，達到小震不壞的目的。當遇到罕遇地震時，隔震層鋼筋屈服，發(fā)生塑性流動，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)上梁一起坐落在磚墩上，繼續(xù)滑動耗能。由于基礎(chǔ)上梁與磚墩只相隔10 mm左右，故上部結(jié)構(gòu)坐落在磚墩上時不易產(chǎn)生過大的傾斜而倒塌，從而達到大震不倒的目的。具有阻尼性能的瀝青油膏作為填充材料不僅可以消耗能量，還能保護鋼筋不被銹蝕。

通過假定鋼筋在彈性范圍內(nèi)工作且無初始彎矩，尚守平等人給出了鋼筋—瀝青復(fù)合隔震層的計算模型及簡化計算方法，并進行了振動臺實驗。結(jié)果表明在不同的加速度幅值地震動輸入下，隔震層均能吸收大部分地震能量，有效地減少了上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，起到良好的減震效果[13]。從理論分析和實驗結(jié)果可以看出，此隔震技術(shù)工作可靠，價格低廉，施工簡易，維修保養(yǎng)方便。另外，尚守平等人還根據(jù)此項技術(shù)研制出一種新型隔震墩，也適用于在我國廣大農(nóng)村地區(qū)新建建筑和既有建筑的加固中推廣使用[16]。

雖然瀝青很適于用作隔震材料，但其在隔震層應(yīng)用中的阻尼機理，耐久性及合適的力學(xué)模型等問題的研究還不夠完善。瀝青隔震層作為成熟的隔震技術(shù)被大面積推廣應(yīng)用于工程實際，還有待進一步的深入研究。

3 摩擦滑移隔震技術(shù)

摩擦滑移隔震技術(shù)是開發(fā)應(yīng)用最早的隔震措施之一，其基本原理是:在上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間設(shè)置摩擦滑移隔震層，允許建筑物在發(fā)生地震時相對于基礎(chǔ)做整體水平運動。由于隔震層抗剪剛度很小，限制了地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，同時，上部結(jié)構(gòu)在滑移過程中通過摩擦耗散了地震能量，從而達到隔離地震的效果。摩擦滑移技術(shù)簡單易行，造價較低，且受地面運動頻率特性的影響較小，幾乎不發(fā)生共振現(xiàn)象。目前常用的滑移材料有砂粒、石蠟、柔性石墨涂層、聚四氟乙烯板等低摩阻材料。

根據(jù)我國農(nóng)居建筑的特點，李立等于20世紀70年代后期提出砂層滑動隔震。利用砂粒性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，造價低的特性，與水磨石板在距室內(nèi)地坪10 cm處共同形成摩擦滑移隔震層。這種做法對減少水平地震作用很有效，而且水平滑動縫還可起防潮層的作用。

除砂粒外，石墨也是一種較理想的低摩阻滑移材料，它造價低，多次滑動性能不變，特別適用于我國農(nóng)村量大面廣的砌體房屋。谷偉等對石墨滑移隔震砌體房屋在地震烈度、場地類別、結(jié)構(gòu)基本周期等因素影響下的錯動位移進行了研究[18]。結(jié)果表明場地條件、地震烈度對錯動位移幅值有較大影響，而結(jié)構(gòu)周期對錯動位移幅值影響較小。

當前這類技術(shù)主要的問題在于震時隔震層滑移量較大，不能有效的限制滑移量且震后不能復(fù)位。目前國內(nèi)外學(xué)者正在對摩擦滑移材料與滯變形限位裝置的并聯(lián)應(yīng)用進行深入研究。趙桂峰等對村鎮(zhèn)建筑帶限位裝置摩擦隔震體系的參數(shù)影響進行了研究[19]。通過大量計算給出了摩擦系數(shù)、隔震層彈性剛度等參數(shù)選取的合理取值范圍，為該隔震體系的簡化設(shè)計和實際應(yīng)用提供了依據(jù)。曹萬林等人提出了一種新型帶限位裝置的石墨—玻璃絲布板—石墨隔震層基礎(chǔ)隔震砌體房屋，為逐步解決村鎮(zhèn)房屋的地震安全問題提供了實用技術(shù)支撐[20]。

4 廢舊輪胎隔震技術(shù)

陳文、熊峰等設(shè)計采用了一種適合農(nóng)居砌體房屋的廢舊輪胎隔震系統(tǒng)[21]，這種廢舊輪胎隔震系統(tǒng)是指在砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)圈梁下由廢舊輪胎隔震墊作為隔震部件的一種基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。廢舊輪胎隔震墊將廢舊輪胎的胎冠多層疊加，每隔一定距離鋪設(shè)在基礎(chǔ)圈梁下形成柔性隔震層。其對廢舊輪胎隔震墊進行了一系列的力學(xué)實驗，得到了廢舊輪胎隔震墊的一系列力學(xué)性能指標。這種隔震系統(tǒng)只有在一定的豎向壓力下，才會有良好的隔震效果，故廢舊輪胎隔振墊的數(shù)量和布置間距是此類隔震房屋設(shè)計的重點。廢舊輪胎隔震墊能夠明顯的降低地震反應(yīng)，制作簡單，安裝方便，同時因為利用回收的舊輪胎，環(huán)保并降低了房屋造價。

除此以外，張超、王瑞等進行了另一類采用橡膠粉進行房屋隔震的實驗研究[22]。橡膠粉的來源是以廢舊輪胎為主的廢舊橡膠制品，橡膠粉具有很強的壓縮和剪切變形能力，同時，變形過程中，顆粒之間產(chǎn)生相互摩擦消耗能量，具有很好的消能隔震特性。其通過靜力指揮性能試驗和振動臺試驗得到了橡膠粉堆積狀態(tài)、顆粒粒徑以及承載重量對其力學(xué)性能的影響規(guī)律，為隔震系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)。

5 纖維橡膠隔震技術(shù)

黃襄云，周福霖等研究開發(fā)了一種適用于廣大村鎮(zhèn)砌體房屋的新型低造價纖維橡膠隔震支座[23]。與傳統(tǒng)的疊層橡膠支座相比，這種新型隔震裝置取消了上下聯(lián)接鋼板，并用纖維層代替疊層鋼板，使得隔震支座的造價和重量大幅降低，同時，這種隔震支座隔震效果明顯，具有自動復(fù)位功能，可進行手工切割、安裝方便，容易推廣使用。黃襄云等對此支座的力學(xué)性能進行了試驗研究并與疊層鋼板橡膠支座進行了對比分析，并對使用此支座的砌體結(jié)構(gòu)房屋模型與同比例的非隔震砌體結(jié)構(gòu)房屋模型進行了振動臺對比試驗。結(jié)果表明此支座能將結(jié)構(gòu)周期延長15倍左右，在7度，8度，9度地震作用下均有較好的隔振效果。

6 結(jié)語

我國農(nóng)村人口聚集的大部分地區(qū)是地震發(fā)生比較頻繁的地區(qū)。隔震技術(shù)在農(nóng)居地震安全工程中有很大的應(yīng)用前景。近年來，我國進入地震頻發(fā)期，更應(yīng)該做好農(nóng)村的抗震工作。建設(shè)部門應(yīng)加強對農(nóng)村房屋的抗震指導(dǎo)，加強抗震知識的宣傳教育，促進低造價農(nóng)居隔震技術(shù)的具體應(yīng)用，形成抗震設(shè)防的共識，將未來的地震災(zāi)害減少到最低限度。

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