淺談隔震建筑比抗震建筑的優(yōu)越性

李靜　周曉雁

摘 要： 隔震技術(shù)是近幾十年來地震工程最重要的成果之一，是一種經(jīng)濟、可靠、有效的防震減災(zāi)技術(shù)，因此世界各國都在研究抗震減災(zāi)技術(shù)，致力于提升建設(shè)工程的抗震設(shè)防水平，提高建設(shè)工程的抗震能力。

關(guān)鍵詞： 隔震技術(shù) 隔震建筑 抗震建筑

地震是一種頻發(fā)的自然災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計，世界上每年平均發(fā)生嚴重破壞的地震約18次以上，平均每年有10000人受害于地震災(zāi)害。我國是地震頻發(fā)的國家之一，已經(jīng)發(fā)生過破壞性地震的城市占總數(shù)的10%，為了防止地震對建筑物的危害，傳統(tǒng)方法是使用相應(yīng)的抗震結(jié)構(gòu)體系，但因為它是一個“被動防震”的方法，仍然有許多不足之處，所以，當?shù)卣鹆α縼砼R的時候，不能很好地減震、消震，減弱地震能量。隔震技術(shù)開始應(yīng)用與建筑，在過去的幾十年中，經(jīng)過歷次地震檢驗，隔震設(shè)計的建筑，耗散地震能量效果顯著。

1.隔震基本概念

隔震，是通過某種隔離裝置將地震動與結(jié)構(gòu)隔開，達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。隔震建筑是在建筑物基礎(chǔ)和底部、下部與上部之間設(shè)置由隔震器、阻尼裝置等安裝的隔震層，地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞時減少上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達到預(yù)期防震的要求。

2.隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)對比

2.1隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)安全性對比

建筑物設(shè)計早期，設(shè)計尚處于靜力設(shè)計階段，此時尚無抗震結(jié)構(gòu)這個說法，結(jié)構(gòu)依靠的是自身剛度抵御外界水平和豎向荷載，建成的結(jié)構(gòu)都是所謂的“剛性結(jié)構(gòu)體”。然而，靜力理論設(shè)計的房屋在歷史許多地震受到重大損失。隨著科技的進步及房屋層高的不斷增大，人們開始考慮建筑抗震問題。20世紀50年代初，隨著強震儀的出現(xiàn)和結(jié)構(gòu)動力特性的不斷深入研究，提出了沿用至今乃至今后的“延性結(jié)構(gòu)設(shè)計”。這種理論思想是在一定程度上控制結(jié)構(gòu)體系的剛度，允許結(jié)構(gòu)在中大震時發(fā)生變形，從而將地震能量以動能的形式耗散掉，保護建筑物不至于倒塌。因此，在傳統(tǒng)抗震設(shè)計基本要素中，首先是保證建筑物要能持續(xù)支持自身重量，其次是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度和延性吸收地震輸入的能量。

但是，抗震結(jié)構(gòu)有不可彌補的致命弱點：雖然能在地震中不至于倒塌，但是它允許結(jié)構(gòu)變形，甚至嚴重破壞。因此，每當?shù)卣饡r，傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)通過混凝土裂縫及鋼筋屈服形式吸收地震能量，多數(shù)情況下建筑物內(nèi)過大的加速度、速度和層間變形會使建筑物內(nèi)部遭到毀滅性破壞，地震后存在較大的殘余變形，建筑物功能難以維持，震后維修費用大大增加。

2.2隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)受力與變形對比

抗震結(jié)構(gòu)在地震中的糟糕表現(xiàn)，促使全世界人們不斷思考，隔震結(jié)構(gòu)體系從此應(yīng)運而生。隔震結(jié)構(gòu)的基本是通過在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置“隔震層”，使地震時上部結(jié)構(gòu)與地基水平震動分離，從而保護上部結(jié)構(gòu)。目前國際上應(yīng)用較多的是基礎(chǔ)隔震建筑。通過在隔震層設(shè)置隔震支座和阻尼器等隔震裝置，其中隔震支座能夠安定持續(xù)地支撐建筑物重量、追隨建筑物的水平變形，并且具有適當?shù)膹椥曰謴?fù)力，而阻尼器能夠用于吸收地震輸入能量，因此耳針結(jié)構(gòu)是一種遵循并超越抗震設(shè)計思想的結(jié)構(gòu)形式。當結(jié)構(gòu)遭受罕遇地震時，作用于上部結(jié)構(gòu)的水平力比一般結(jié)構(gòu)要小得多，因此很容易對上部結(jié)構(gòu)進行彈性設(shè)計。即使遭受罕遇大地震時，隔震結(jié)構(gòu)也能維持上部結(jié)構(gòu)的功能，確保建筑物內(nèi)部財產(chǎn)不遭受損失，保障生命安全。

隔震結(jié)構(gòu)抵御地震的強大能力已在日本、美國、中國等許多國家得到驗證。隔震體系優(yōu)良的抗震能力表明，未來的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計將以隔震體系全面替代傳統(tǒng)抗震體系。隔震結(jié)構(gòu)是一種將房屋部分作為上部結(jié)構(gòu)，隔震層和地基作為下部結(jié)構(gòu)的二重結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)地震位移反應(yīng)與層間剪力如圖1所示。隔震結(jié)構(gòu)的顯著特點是結(jié)構(gòu)變形集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)層間相對位移十分小，剪力分布均勻。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)是地表加速的兩三倍。而美國Northbridge和日本兵庫縣地震強震觀測表明，隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)加速度還不到地表加速度的1/3而開展。

2.3隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比

美國Northridge大地震（1994年）和日本神戶大地震（1995年）中，地震區(qū)隔震建筑記錄到的最大加速度反應(yīng)表明：隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度反應(yīng)峰值僅為非隔震結(jié)構(gòu)的20%（隔震結(jié)構(gòu)198Gal，非隔震結(jié)構(gòu)965Gal）（見圖2）。這是世界上最早實測到的隔震和非隔震結(jié)構(gòu)在強地震作用下的加速度反應(yīng)對比紀錄，證實了隔震結(jié)構(gòu)體系是當前一種較理想的減輕地震災(zāi)害的新型結(jié)構(gòu)體系。

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