隔震技術(shù)在建筑物抗震設(shè)防中的應(yīng)用和推廣

北京市地震局 羅桂純

我國是一個(gè)地震多發(fā)國家，如何減少地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，是我們一直努力的方向。加強(qiáng)建筑物抗震性能，減少房屋倒塌，是解決此問題的方法之一。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展的需要，隔震技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隔震技術(shù)是在建筑物的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層來延長結(jié)構(gòu)的自振周期、增大阻尼，以減少輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期的防震要求。隔震技術(shù)是目前成熟有效的且較為安全、適用、經(jīng)濟(jì)的工程抗震技術(shù)之一。

隔震技術(shù)產(chǎn)生背景

地震是一種突發(fā)性、毀滅性的自然災(zāi)害。強(qiáng)烈地震使建（構(gòu)）筑物破壞或者倒塌，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。地震發(fā)生時(shí)，地面的振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。傳統(tǒng)的做法是提高結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度和剛度來抵御地震作用，即依靠結(jié)構(gòu)本身和承重構(gòu)件的損壞來儲存、轉(zhuǎn)換和消耗地震能量，通常采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、增大構(gòu)件截面尺寸、多加配筋等做法，使梁柱截面尺寸都非常大。但事實(shí)證明，這種方法很難抵抗大地震的破壞，而且大大增加了經(jīng)濟(jì)投入，得不償失。還有一種做法就是延性抗震結(jié)構(gòu)，即構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服之后，在承載能力基本不降低的情況下，仍具有足夠塑性變形能力。延性抗震結(jié)構(gòu)能防止建筑物產(chǎn)生不合理的倒塌破壞，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力，保證結(jié)構(gòu)形成耗能較好的破壞機(jī)制。事實(shí)證明，這種抗震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，雖然大大提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力，但也存在結(jié)構(gòu)的安全性難以保證、適用性和全面性受到限制、經(jīng)濟(jì)性欠佳以及震后修復(fù)難度大等問題。

傳統(tǒng)做法已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在社會(huì)的需要，人們開始研究新的既適用又經(jīng)濟(jì)的抗震方法，隔震技術(shù)就是其中的一種。隔震技術(shù)是通過對結(jié)構(gòu)附加隔震裝置，以調(diào)節(jié)和減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，使它在外界干擾下的各項(xiàng)反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)。

采用隔震技術(shù)，在大地震時(shí)能使建筑結(jié)構(gòu)不損壞或僅僅輕微損壞，同時(shí)也能減輕救災(zāi)和災(zāi)后重建的壓力，而且建筑物內(nèi)部設(shè)施受地震影響也相應(yīng)減小，并可減少建（構(gòu)）筑物及設(shè)備的次生災(zāi)害損失，體現(xiàn)出顯著的社會(huì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益。隔震技術(shù)以其明顯的優(yōu)越性，已經(jīng)在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，并通過諸多地震的實(shí)際檢驗(yàn)取得了很好的效果。

隔震技術(shù)發(fā)展歷史

隔震的概念早在20世紀(jì)初就有人提出。自上世紀(jì)60年代開始，新西蘭、日本、美國等國家就開始了對隔震技術(shù)的系統(tǒng)研究。70年代起，新西蘭學(xué)者W.H.Robinson等率先研發(fā)了鉛芯橡膠支座，極大地推動(dòng)了隔震技術(shù)的工程應(yīng)用。至80年代，國外已經(jīng)建造了數(shù)百座應(yīng)用隔震技術(shù)的建筑和橋梁，步入了工程應(yīng)用階段。在1994年洛杉磯北嶺地震以及1995年阪神地震中，采用橡膠支座的隔震建筑表現(xiàn)出了良好的隔震效果，從而在國際上引發(fā)了隔震應(yīng)用的熱潮。從國外的研究、應(yīng)用情況看，以橡膠支座為代表的隔震建筑經(jīng)歷了近40年的時(shí)間，經(jīng)受了強(qiáng)震的考驗(yàn)，是一項(xiàng)相對成熟的技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)我國早就進(jìn)行了深入研究。20世紀(jì)80年代開始，以華中理工大學(xué)唐家祥教授、中國建筑科學(xué)研究院周錫元院士、廣州大學(xué)周福霖院士為代表的大批學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。90年代初期，周錫元院士和哈爾濱建筑大學(xué)劉季等聯(lián)合承擔(dān)了國家“八五”重大攻關(guān)課題“砌體結(jié)構(gòu)隔震減震方法及工程應(yīng)用研究”，并開展了從理論到應(yīng)用的系統(tǒng)研究，進(jìn)行了橡膠支座動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)和實(shí)際工程的動(dòng)力測試。該課題于1995年底通過鑒定驗(yàn)收，這是國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)、研究人員聯(lián)合攻關(guān)的重大成果，也是橡膠墊層隔震技術(shù)的研究初步系統(tǒng)化、實(shí)用化的一個(gè)重大標(biāo)志。同時(shí)，我國先后完成了從設(shè)計(jì)技術(shù)、施工技術(shù)、維護(hù)技術(shù)、相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)到生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測檢驗(yàn)以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等一系列隔震成套技術(shù)的研究，形成了一套理論完整、技術(shù)先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)合理、適合推廣應(yīng)用的實(shí)用技術(shù)。

目前，我國已形成一系列關(guān)于隔震技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。這些技術(shù)規(guī)程、規(guī)范以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志著我國的隔震技術(shù)規(guī)范體系基本建立，對保障和推動(dòng)我國隔震技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比

隔震技術(shù)原理

隔震技術(shù)是在建筑物的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震支座（支持建筑物的質(zhì)量）和阻尼器（吸收地震能量）等部件組成隔震層來延長結(jié)構(gòu)的自振周期（使其遠(yuǎn)離地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期）、增大阻尼，以減少輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期的防震要求。地震發(fā)生時(shí)，隔震支座在地震動(dòng)力的作用下會(huì)發(fā)生水平位移，反復(fù)位移的方向和地震反復(fù)產(chǎn)生的動(dòng)力方向相反，不僅能消耗地震能量，而且能使建筑物上部結(jié)構(gòu)從劇烈的、由下到上不斷放大的晃動(dòng)變?yōu)橹蛔鏖L周期的、緩慢的、整體水平平動(dòng)，因而上部結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下基本處于彈性狀態(tài)。研究表明，隔震裝置能明顯降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，可使上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)降低為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的1/4或更小。這樣既能保證結(jié)構(gòu)本身，又能保證結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的裝修和精密儀器不遭損壞，從而保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和適用性。

隔震橡膠支座

隔震技術(shù)的應(yīng)用

近年來，橡膠墊層隔震建筑已在我國的很多地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，如山西、新疆、云南、廣東、江蘇等多個(gè)省市自治區(qū)的一些建筑都有很多成功案例，并已覆蓋了我國大部分地震區(qū)。

隔震技術(shù)在云南省的應(yīng)用已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，且有一部分工程經(jīng)歷了幾次地震的考驗(yàn)，證明了隔震房屋的良好抗震性能。截止到2011年，全國減隔震建筑約700多幢，云南就有近300多幢，減隔震技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用處在全國前列。昆明新機(jī)場航站樓采用的當(dāng)今國際先進(jìn)的減隔震技術(shù)，用大型橡膠“隔震”支座，使建筑抗震性能大幅提高，達(dá)到建筑物能在大震下功能完好。航站樓主體工程已完工，成為世界上最大單體隔震建筑。昆明市東川區(qū)是Ⅸ度設(shè)防區(qū)，在東川建成了3棟十一二層的隔震建筑，其中最大單體面積達(dá)3.8萬平方米，這是我國高烈度區(qū)建成的層數(shù)最高、面積最大的單體隔震建筑。多年來，云南省委、省政府十分重視防震減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展。從2008年開始，啟動(dòng)了云南減隔震技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)基地建設(shè)，在地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)和重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的縣級以上醫(yī)院、學(xué)校、幼兒園等人員密集場所，救災(zāi)物資儲備庫、博物館、機(jī)場、橋梁等重要工程建筑物和黨政機(jī)關(guān)等重要目標(biāo)單位，以及重大通信和電力設(shè)施等方面，強(qiáng)制推進(jìn)隔震墊減隔震技術(shù)，并推廣使用輕型建筑材料。

2008年汶川8.0級大地震造成了大量的人員傷亡和工程結(jié)構(gòu)破壞，經(jīng)濟(jì)損失巨大，而工程結(jié)構(gòu)倒塌是導(dǎo)致人員傷亡的直接原因。在2013年蘆山7.0級大地震中，與周邊破壞嚴(yán)重的建筑物相比，蘆山縣人民醫(yī)院外觀完整且內(nèi)部受損很小，是我國第一棟在震中區(qū)經(jīng)過大震考驗(yàn)的隔震建筑物。蘆山縣人民醫(yī)院在蘆山地震的強(qiáng)烈震動(dòng)下，表現(xiàn)了非常出色的隔震效果。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司副總工程師、復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究所所長苗啟松說：“特別期望以此工程為契機(jī)，大力推動(dòng)隔震建筑，尤其是學(xué)校、醫(yī)院建筑都應(yīng)盡可能使用隔震建筑?！?/p>

近年來，北京地區(qū)也一直在大力推廣隔震減震技術(shù)，提高建筑抗震能力。三里河三區(qū)12#地辦公樓，是北京市首例應(yīng)用隔震技術(shù)的大型重要的公共建筑，雖然工程結(jié)構(gòu)的造價(jià)較普通混凝土結(jié)構(gòu)的造價(jià)每平方米增加60元，但考慮到震后損失較小，結(jié)構(gòu)仍能正常使用，因此，總體來說結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要比普通混凝土結(jié)構(gòu)低。北京西單大悅城采取建筑物間的局部抗震技術(shù)，在地震發(fā)生時(shí)，橡膠隔震墊可以有效地吸收地震能量。但在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到由于橡膠隔震墊的老化或是突遇火災(zāi)等突發(fā)事件時(shí)損毀問題，若設(shè)計(jì)時(shí)采用可拆卸橡膠隔震墊技術(shù)則可以解決這些問題。北京通惠家園住宅工程是北京首家大面積使用多層房屋夾層橡膠墊隔震技術(shù)的工程。多層房屋夾層橡膠墊隔震技術(shù)是一種新的隔震技術(shù)，具有技術(shù)工藝新、技術(shù)含量高的特點(diǎn)。其產(chǎn)品是由多層橡膠和多層鋼板以及其它材料交替疊置結(jié)合而成，是一種耐力極大、水平鋼度較小、水平側(cè)移容許值較大的裝置。它既能化解水平地震作用，又能承受豎向地震作用，具有隔震效果明顯、穩(wěn)定，能有效地吸收地震能量，減少上下地震反應(yīng)，耐反復(fù)荷載、耐疲勞、耐老化等特性。北京當(dāng)代MOMA工程位于北京東城區(qū)香河園路1號，總建筑面積220000平方米，地下2層連為一體，地上由9個(gè)最高有21層的塔樓及其他建筑組成。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用8個(gè)設(shè)有隔震支座的空中連廊將9幢主體塔樓依次相連，從而形成環(huán)形超大規(guī)模復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)。由于采用隔震支座，減弱了連體結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)的影響，從而使主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度大為降低，保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

魯疃西路跨溫榆河大橋

在北京，隔震技術(shù)不但應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中，在橋梁結(jié)構(gòu)中也得到了很好的應(yīng)用。魯疃西路跨溫榆河大橋，位于北京市昌平區(qū)北七家鎮(zhèn)科技走廊與生態(tài)走廊相交的節(jié)點(diǎn)處，是南、北區(qū)域的重要交通聯(lián)系通道，橋址周邊規(guī)劃了多座標(biāo)志性特色建筑。設(shè)計(jì)預(yù)采用摩擦擺支座進(jìn)行隔震。摩擦擺支座能顯著地減小墩底彎矩，也會(huì)顯著增加拱頂位移，但隔震后的拱頂位移主要由隔震支座水平形變引起，去除改平動(dòng)位移后，拱頂變形較隔震前也明顯減小。經(jīng)過綜合考慮隔震效果及經(jīng)濟(jì)性，魯疃西路跨溫榆河大橋應(yīng)用了曲率半徑為2.5米的摩擦擺支座進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。

隔震技術(shù)的推廣

隔震技術(shù)的使用，使得大地震發(fā)生時(shí)，既能保護(hù)建筑物結(jié)構(gòu)，又能保護(hù)室內(nèi)的設(shè)備物質(zhì)安全。但是，隔震技術(shù)要推廣，也需要具備各方面的條件。一是思想觀念的轉(zhuǎn)變，包括政府、設(shè)計(jì)人員、開發(fā)商和老百姓，倡導(dǎo)大家使用隔震技術(shù)。二是隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要跟上。三是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要跟上。四是檢驗(yàn)手段要跟上。只有這樣，隔震技術(shù)才能大量推廣使用。

隔震技術(shù)是一種相對成型的新技術(shù)。支持和推廣新技術(shù)，是推動(dòng)行業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力，而且隔震技術(shù)可以從根本上加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的地震安全性。隔震建筑以其安全可靠受到人們的重視和關(guān)注，既可用工程實(shí)例帶動(dòng)地震科普知識的傳播，也對建筑結(jié)構(gòu)本身起到了很好的宣傳作用。

總之，隔震技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用大幅度提高了工程結(jié)構(gòu)的抗震水平，節(jié)省了工程造價(jià)，社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益明顯，為防震減災(zāi)工作提供了一條合理、有效、安全的新途徑。