隔震體系研究與應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

錢曉旭 彭 陽

(1.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210000； 2.東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210009)

隔震體系研究與應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

錢曉旭1彭 陽2

(1.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210000； 2.東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210009)

通過對(duì)比分析采用傳統(tǒng)抗震方法設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)有隔震體系的建筑結(jié)構(gòu)，指出了基礎(chǔ)隔震體系的優(yōu)勢，并對(duì)國內(nèi)外多種基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，得出復(fù)合隔震體系具有推廣應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

隔震體系，地震，建筑結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢

1 概述

地震是由地球內(nèi)部的構(gòu)造發(fā)生運(yùn)動(dòng)而突然發(fā)生并隨之會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果的自然現(xiàn)象[1,2]。依據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界發(fā)生地震的次數(shù)約為500萬次/年[3]。相對(duì)而言，這么多次的地震中能產(chǎn)生震感的地震數(shù)量是相對(duì)較少的，而震級(jí)較大的地震所占比例極小： 震級(jí)不小于6級(jí)的地震次數(shù)占每年總發(fā)生次數(shù)約0.004‰[4]；而8級(jí)以上的平均1次/年～2次/年[5]。按照地震發(fā)生時(shí)所在的地理位置和周圍的環(huán)境可將地震分為兩類：板塊邊緣地震和板塊內(nèi)地震，建筑物的抗震主要是針對(duì)板塊內(nèi)部產(chǎn)生的地震[6]。我國位于世界主要的兩大地震帶上，全球絕大部分地震都來自于此。由我國的地理位置環(huán)境可以看出大部分城市都處于地震區(qū)范圍之內(nèi)，因此我國是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)生震級(jí)在5級(jí)以上地震每年平均約30次左右；1900年以后，我國范圍內(nèi)除黔、浙、港外其他所有的省、市共計(jì)發(fā)生約800次6級(jí)以上的地震?？梢钥闯?，地震在我國發(fā)生較為頻繁、同時(shí)震級(jí)較大而且分布范圍廣。同時(shí)，地震帶來的后果除了人員的傷亡、建筑物的損害，然后就是經(jīng)濟(jì)的損失，例如唐山大地震造成約百億元的經(jīng)濟(jì)損失；2008年的汶川大地震直接經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)高，這兩次巨大地震都在瞬間使一個(gè)人口眾多的工業(yè)城市化為烏有。通過對(duì)震后的現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)：直接震害中的建筑物倒塌和間接震害中的次生災(zāi)害使人員傷亡和財(cái)產(chǎn)設(shè)備損失[7]。設(shè)置隔震、減震裝置的結(jié)構(gòu)體系卻能在地震中不致?lián)p壞[8]。在地震中，包含隔震、減震裝置的建筑，其結(jié)構(gòu)本身以及內(nèi)部設(shè)施甚至是裝修都未發(fā)生損害。而我國的隔震體系的形式和應(yīng)用也在不斷的研發(fā)和完善。

5·12汶川8級(jí)地震中，除汶川，北川，映秀等主要震區(qū)外，地震也波及到了甘肅省隴南、天水、甘南等地，依據(jù)地震的記錄顯示，甘肅隴南的武都區(qū)和成縣的加速度的峰值分別為170 gal，130 gal。武都區(qū)北山郵政局職工住宅為6層磚混隔震結(jié)構(gòu)，由武都縣隔震建筑調(diào)研報(bào)告中所述，該縣采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的建筑物在震后出現(xiàn)了墻體內(nèi)外粉刷層開裂、脫落；另一棟沒有隔震、減震裝置的5層磚混結(jié)構(gòu)住宅的內(nèi)部設(shè)備、家電也產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的損壞(見圖1)，村鎮(zhèn)的房屋甚至有倒塌的現(xiàn)象。但是采用隔震裝置的磚混住宅在此次地震中，卻基本完好(見圖2)，內(nèi)部家具、廚具和懸掛的裝飾物均無翻倒現(xiàn)象，墻體上也無地震引發(fā)的裂縫；在5·12汶川大地震后，人們開始意識(shí)到傳統(tǒng)的抗震體系的抗震性能不如隔震建筑的抗震性能。

結(jié)構(gòu)隔震體系是具有合理性、有效性、安全性、經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)的一種減震結(jié)構(gòu)。隔震體系革新了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用“強(qiáng)化”設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的單一途徑,轉(zhuǎn)而采用“軟化”的方法使結(jié)構(gòu)達(dá)到“以柔克剛”的效果，以此來作為隔離地震的新途徑[9]。與按傳統(tǒng)抗震方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相比，采用基礎(chǔ)隔震體系的建筑結(jié)構(gòu)擁有以下優(yōu)越性：1)較大程度的降低上部房屋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震反應(yīng)；2)在地震發(fā)生時(shí),上部結(jié)構(gòu)在隔震元件的作用下仍處于正常的彈性工作狀態(tài)；3)房屋建造成本沒有較大的增加；4)在上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)中，如平面、立面、體形等，可以自由的發(fā)揮不受隔震元件的布置限制[10]。因此基礎(chǔ)隔震技術(shù)比較適合我國這樣一個(gè)地震頻發(fā)的發(fā)展中國家。

2 隔震技術(shù)發(fā)展和研究概況

2.1 國外隔震技術(shù)發(fā)展和研究概況

追溯起基礎(chǔ)隔震作為一種防護(hù)地震的思想，可從1406年明成祖永樂年間所修建的紫禁城開始。當(dāng)時(shí)的紫禁城采用“煮過的糯米石灰膏”作為地基以此作為地震防護(hù)的措施。據(jù)文獻(xiàn)記載，將基礎(chǔ)隔震作為一個(gè)概念最早是由日本人河合浩藏提出來的[11]。1881年，他提出了將縱向和橫向圓木交疊放置作為隔震層，地震能量通過隔震層后將有所降低，這樣上部結(jié)構(gòu)所受的作用效應(yīng)將減小的方案[12]。縱觀基礎(chǔ)隔震發(fā)展的歷史：1906年，德國人J.Beehtofd提出將“滾球”應(yīng)用于基礎(chǔ)來達(dá)到隔震的效果的方法，并建議用此方法確保建筑物安全[13]。1909年，英國人J.A.Calantarients提出了通過將建筑物的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分隔開，將交接面做成可以滑動(dòng)的隔震層形式[14]，地震時(shí)，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間將產(chǎn)生位移，從而保證上部結(jié)構(gòu)的安全。1923年日本關(guān)東大地震后，山下興象獲得抗震專利，其主要是將隔震層做成了滑動(dòng)的形式[12]；鬼頭健三郎的方案是將隔震層做成球體的形式，這樣在地震作用下既可以隔震又能在震后使隔震裝置復(fù)位，這個(gè)方案使其獲得了“建筑物抗震裝置”的專利[3]。在此之后，中村太郎發(fā)現(xiàn)隔震裝置都是通過耗散地震能量，減小建筑物本身所受的作用效應(yīng)來達(dá)到抗震的目的。他提出了另一種耗能的形式，即用阻尼器來耗能的方案。阻尼器可以安裝在建筑物上，在1927年中村也將該種阻尼器用在了一棟7層的建筑。此后，岡隆一又提出將柱底設(shè)計(jì)成半徑很大的球面安裝于基礎(chǔ)板上，柱的上端軸線中心與該柱底球面中心重合，形成底部為球鉸形式的柱。而柱底的球鉸的連接部分利用摩擦力來增加建筑物的阻尼并達(dá)到良好抗風(fēng)的效果的方案。此種“隔震基礎(chǔ)”的方案在1923年獲得了專利，并應(yīng)用到了東京市3棟不同的建筑中[15]，達(dá)到很好的抗震性能。1933年，美國人先提出“柔弱底層”的減震構(gòu)想[8]。1934年，日本的真島健三郎[15]提出了類似“柔弱底層”的構(gòu)想，結(jié)構(gòu)形式與“雞腿”形狀類似，故稱為“雞腿式”結(jié)構(gòu)隔震方案。1969年，天然橡膠墊塊率先應(yīng)用到了建筑物中，一棟位于南斯拉夫的斯克比市地區(qū)的3層鋼筋混凝土框架教學(xué)樓采用天然橡膠墊塊作為隔震基礎(chǔ)建成。蘇聯(lián)克里米亞[16]在1978年建造了一棟7層試驗(yàn)示范樓，其采用的是橢圓形剛球來隔震，而該建筑在10年后的地震中，發(fā)揮了理想的隔震效果。20世紀(jì)70年代初，為了能使橡膠支座性能更加的可靠同時(shí)又經(jīng)濟(jì)實(shí)用，新西蘭的科技人員將鉛芯加入進(jìn)了疊層橡膠支座中，該技術(shù)將隔震支座推入了實(shí)用性的領(lǐng)域。在1984年，世界上首棟采用鉛芯橡膠隔震支座的建筑物在新西蘭建造[8]完成。如今，研究“基礎(chǔ)隔震”應(yīng)用的國家已將近三十多個(gè)。

2.2 國內(nèi)隔震技術(shù)發(fā)展和研究概況

我國隔震技術(shù)的研究是從1960年以后開始，冶金部建筑研究院的李立教授在1980年以后將隔震技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程，該隔震建筑中的隔震元件是以砂礫作為摩擦材料的滑移隔震建筑。在我國隔震建筑研究的初期，結(jié)合我國當(dāng)時(shí)的綜合國情以及經(jīng)濟(jì)條件，關(guān)于隔震體系的研究主要是以摩擦滑移隔震為主。樓永林等人在1988年研究了應(yīng)用石墨作為滑移材料應(yīng)用于減震縫中的隔震體系的性能，并給出了不同材料作為滑移材料的相關(guān)結(jié)論和理論分析研究結(jié)果[17]。到了90年代，橡膠支座作為隔震元件成為了隔震研究的重點(diǎn)。周錫元[18]和周福霖[19]、呂西林[20-22]、唐家祥等人是我國最早研究橡膠隔震支座的學(xué)者，他們對(duì)橡膠隔震支座的相關(guān)理論進(jìn)行研究并研發(fā)了應(yīng)用于工程的產(chǎn)品、隨后提出了將隔震支座應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析方法，并結(jié)合實(shí)際隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)合這一系列的理論研究和不斷地完善，唐家祥等編著了我國第一部建筑隔震專著《建筑隔震基礎(chǔ)隔震》，由于有著系統(tǒng)的研究，使我國的橡膠隔震有了較為成熟的理論和技術(shù)。而在實(shí)際的地震考驗(yàn)中，由周福霖院士等人于1993年在汕頭市建成的某8層隔震框架建筑[6,9]，經(jīng)受住了次年9月16日發(fā)生的臺(tái)灣海峽7.3級(jí)地震的考驗(yàn)，其主要的隔震元件是高阻尼橡膠隔震支座。在隨后的時(shí)間里，我國已建成了很多建筑仍是以橡膠支座作為隔震元件，應(yīng)用較多的建筑物多以辦公樓和醫(yī)院為主，但該隔震體系的建筑的造價(jià)相對(duì)較高。因此，結(jié)合我國的國情，需要尋找新的隔震體系，使其能夠滿足隔震性能的同時(shí)又能夠降低建造成本。東南大學(xué)抗震減震中心設(shè)計(jì)了不同性質(zhì)的隔震支座以并聯(lián)形式組合的復(fù)合隔震體系，并已將其應(yīng)用于宿遷某綜合樓和徐州某小區(qū)住宅樓中[23]，以及南京工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的位于宿遷的隔震建筑，經(jīng)過分析研究說明并聯(lián)復(fù)合隔震體系既能很好的發(fā)揮隔震效能又能降低經(jīng)濟(jì)成本[24]?，F(xiàn)今，我國對(duì)于滑移隔震體系以及復(fù)合隔震體系的研究和推廣應(yīng)用相對(duì)較少[25]。通過實(shí)際工程和現(xiàn)有的發(fā)展趨勢，尋找一種能夠大力推廣同時(shí)又能有較高性價(jià)比的隔震體系是至關(guān)重要的。

3 結(jié)語

在5·12地震中，因?yàn)楦粽鸾ㄖ诘卣鹬行阅鼙憩F(xiàn)良好，而且具有很多顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，使得其受到了人們的高度重視?？v觀基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用較多的隔震元件是以疊層橡膠支座為主，但該隔震體系的性價(jià)比較差。而相較之而言，復(fù)合隔震體系和滑移隔震體系因具有較好的性價(jià)比，比較適合我國的基本國情。隔震體系的關(guān)鍵裝置便是隔震元件，滑移隔震體系的關(guān)鍵裝置就是摩擦滑移支座[26]；復(fù)合隔震體系的關(guān)鍵裝置就是兩種進(jìn)行組合的隔震支座，一般多采用滑移隔震支座與橡膠支座組合[27]。在我國，橡膠支座的研究以及工程實(shí)踐較多，而摩擦滑移支座的工程實(shí)踐還不夠成熟。因此對(duì)復(fù)合隔震體系的工程應(yīng)用和推廣仍值得進(jìn)一步的研究。

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Currentstudyandapplicationofbase-isolationsystem

QIANXiao-xu1PENGYang2

(1.JinlingCollege,NanjingUniversity,Nanjing210000,China; 2.DongfengDesignResearchInstituteCo.,Ltd,Nanjing210009,China)

According to the comparison and analysis of the buildings with the traditional anti-seismic method design and the one with base-isolation system, the paper points out the advantages of the latter one, researches the development and the application of the various base-isolation systems at home and abroad, and concludes the system has broad development in future.

base-isolation system, earthquake, architectural structure, advantages

1009-6825(2014)14-0050-03

2014-03-02

錢曉旭(1985- )，女，碩士； 彭 陽(1986- )，男，碩士

TU352.1

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