淺談一種有效減小地震效應(yīng)的技術(shù)

【摘要】中國(guó)是一個(gè)多震的國(guó)家，長(zhǎng)期的地震災(zāi)害給我國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。特別是近年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)了建筑業(yè)的突飛猛進(jìn)，各地的高層、高聳結(jié)構(gòu)如雨后春筍般拔地而起，然而，安全問(wèn)題一直是困擾著人們的一個(gè)大問(wèn)題，如地震和風(fēng)暴對(duì)人們生命和財(cái)產(chǎn)的威脅。2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震中，約7萬(wàn)人死亡，近2萬(wàn)人失蹤，還有近38萬(wàn)人受傷，大量建筑被夷為平地，造成了大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何減小建筑物在地震中的響應(yīng)，減小損失和傷亡是一個(gè)值得深入研究的重大課題，而基礎(chǔ)隔震是減小地震災(zāi)害的有效辦法。

【關(guān)鍵詞】耗能減震；抗震設(shè)計(jì)；隔震支座

1、傳統(tǒng)抗震方法

地震發(fā)生時(shí)，地面振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。如果建筑結(jié)構(gòu)某部分的地震反應(yīng)過(guò)大，將使主體承重結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，甚至倒塌。為了避免上述災(zāi)害，必須對(duì)結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行控制，并消除結(jié)構(gòu)體系，尤其是高層建筑的“放大器”作用。

傳統(tǒng)的減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的方法主要有：

（1） 大大加強(qiáng)結(jié)構(gòu)物的側(cè)向剛度，即做成“剛性結(jié)構(gòu)體系”。這樣結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)接近地面振動(dòng)。但在很多情況下，這樣做是很不經(jīng)濟(jì)的，并且由于結(jié)構(gòu)剛度越大，其在地震過(guò)程中的剪切力等響應(yīng)也將越大，因此這種方法不理想，只有少數(shù)及其重要的建筑物采用這種結(jié)構(gòu)體系。

（2） 大大削弱結(jié)構(gòu)物的側(cè)向剛度，即做成“柔性結(jié)構(gòu)體系”。這種結(jié)構(gòu)體系雖然能有效減小結(jié)構(gòu)各部分的加速度反應(yīng)，但是由于建筑物層間位移過(guò)大，使建筑裝飾物等構(gòu)配件嚴(yán)重破壞，且在風(fēng)荷載或輕微地震作用下剛度不足，產(chǎn)生的位移和加速度很可能使居住其間的人產(chǎn)生不適，影響建筑的正常使用。

（3） 增加上部結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)減小底下幾層結(jié)構(gòu)的剛度，即做成“柔性底層結(jié)構(gòu)體系”。在地震過(guò)程中這幾層將率先進(jìn)入非彈性工作狀態(tài)，保護(hù)上部結(jié)構(gòu)免遭破壞。東歐及我國(guó)某些臨街建筑（底層為框架，上部結(jié)構(gòu)采用剪力墻或磚混結(jié)構(gòu)）就屬于這種體系。它雖然能有效減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，又能通過(guò)底層結(jié)構(gòu)的非彈性變形消耗地震能量。但是由于 效應(yīng)可能使底層變形過(guò)大，導(dǎo)致底層柱破壞嚴(yán)重，甚至倒塌。多次震害說(shuō)明建筑物采用這種結(jié)構(gòu)體系在很多情況下是危險(xiǎn)的。

（4） 適當(dāng)控制建筑物的剛度，以使結(jié)構(gòu)部件（如梁、柱、剪力墻、梁柱節(jié)點(diǎn)等）在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并且具有較大的延性，以耗散地震能量，減輕整體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)在大震作用下“裂而不倒”，這就是“延性結(jié)構(gòu)體系”。這種體系也是目前我國(guó)和世界各國(guó)普遍采用的傳統(tǒng)抗震方法。實(shí)踐證明這種方法在很多情況下是有效的，但它也同樣存在一些問(wèn)題。

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法是以保證人的生命安全為原則的設(shè)計(jì)方法，是以概率論為基礎(chǔ)，提出三水準(zhǔn)的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。并通過(guò)兩個(gè)階段設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要是適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，這要求結(jié)構(gòu)具有較大的延性，使得結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。傳統(tǒng)抗震方法是依靠構(gòu)件的彈塑性變形并吸收地震能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在很多時(shí)候是有效的，但是也存在著以下問(wèn)題：

首先，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法是以設(shè)定的地震烈度作為設(shè)計(jì)依據(jù)的。但由于地震的隨機(jī)性，如果發(fā)生突發(fā)性的超過(guò)設(shè)定地震烈度的地震，房屋可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞或倒塌，人員財(cái)產(chǎn)的安全性問(wèn)題難以保證；

其次，結(jié)構(gòu)要減小強(qiáng)震或大風(fēng)下的振動(dòng)反應(yīng)，必然要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或耗散。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系實(shí)際上是依靠結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件的損耗來(lái)消耗大部分的輸入能量，因此這種方法對(duì)某些不容許在地震中出現(xiàn)破壞的建筑結(jié)構(gòu)（如核電站）是不適用的。另外傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)只考慮了結(jié)構(gòu)物本身的抗震，并未考慮房屋內(nèi)部設(shè)備的防震，當(dāng)建筑物內(nèi)有重要設(shè)備、精密儀器等情況時(shí)（如通訊中心，醫(yī)院等）。

再次，傳統(tǒng)抗震方法以“抗”為主，主要通過(guò)加大構(gòu)件截面，多加配筋來(lái)提高建筑物的抵抗地震能力，其結(jié)果是構(gòu)件截面越大，建筑物剛度越大，地震效應(yīng)也越大，所需構(gòu)件截面及配筋就越大，惡性循環(huán)，大大提高建筑物的造價(jià)。

最后，隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于建筑的要求也越來(lái)越高。房屋高度越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)跨度越來(lái)越大，而構(gòu)件端面卻越來(lái)越小，已經(jīng)無(wú)法按照傳統(tǒng)的加大構(gòu)件截面或加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的抗震方法來(lái)滿足結(jié)構(gòu)抗震和抗風(fēng)的要求。

為了克服傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法的缺陷，近年來(lái)結(jié)構(gòu)控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，并被認(rèn)為是減輕結(jié)構(gòu)地震和風(fēng)振反應(yīng)的有效方法。結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)就是一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，它大大的減少了結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)振中的振動(dòng)反應(yīng)，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的設(shè)備以及裝飾物等不受損壞?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2001）首次以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的形式對(duì)房屋耗能減震設(shè)計(jì)這種抗震設(shè)防新技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)做了規(guī)定，標(biāo)志著耗能減震技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)由科學(xué)研究走向了推廣應(yīng)用階段。

2、現(xiàn)代抗震理論

正是由于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法存在諸多弊端，必須尋找一種既安全、適用，又經(jīng)濟(jì)的新的抗震體系。

自1972年J.T.P.Yao提出土木工程振動(dòng)控制的概念開(kāi)始，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究者的不懈努力，取得了大量的成果，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制現(xiàn)在已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一。工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是指在結(jié)構(gòu)的特定部位安裝某些特殊裝置（如隔震墊等）、某種機(jī)構(gòu)（如耗能支撐、耗能剪力墻等）、某種子結(jié)構(gòu)（如調(diào)頻質(zhì)量塊等）或施加外力，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力作用。

基礎(chǔ)隔震是在建筑物底部與基礎(chǔ)之間設(shè)置一層具有足夠可靠性的“隔離層”來(lái)控制地面運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。其基本原理是：利用基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)基本自振周期，并給予適當(dāng)阻尼使結(jié)構(gòu)物的加速度反應(yīng)大大減弱，并讓結(jié)構(gòu)的變形能量主要由隔震系統(tǒng)承擔(dān)，而不是由結(jié)構(gòu)自身的相對(duì)變形承擔(dān)，因而在地震過(guò)程中輸入給上部結(jié)構(gòu)的能量很小，為結(jié)構(gòu)的提供更好的安全保障。

建筑結(jié)構(gòu)隔震體系是一種合理、有效、安全、經(jīng)濟(jì)的減震體系，它徹底改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用“強(qiáng)化”結(jié)構(gòu)的抗震方法，而是采用“軟化”結(jié)構(gòu)、“以柔克剛”隔離地震的新途徑，即在建筑物的底部設(shè)置水平柔性的隔震裝置，使結(jié)構(gòu)隔震系統(tǒng)軟化，降低剛度，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的基本自振周期。上部結(jié)構(gòu)在地震中的水平變形，從激烈的、由上到下不斷的晃動(dòng)變?yōu)橹蛔鏖L(zhǎng)周期的、緩慢的、整體水平平動(dòng)，從有較大的層間變位變?yōu)橹挥泻芪⑿〉膶娱g變位，因而上部結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震中仍處于彈性狀態(tài)。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是一種有效的減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的新技術(shù)，它具有以下特點(diǎn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)遇到小地震或陣風(fēng)作用時(shí)，基礎(chǔ)隔震裝置具有足夠的水平剛度，足以使結(jié)構(gòu)物基本保持不動(dòng)；當(dāng)遇到中大地震作用時(shí)，隔震系統(tǒng)在地震作用下產(chǎn)生水平變形，同時(shí)吸收大量的地震能量，非常有效的把地震動(dòng)隔開(kāi)，可以使上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯降低；當(dāng)遇到特大地震作用時(shí)，隔震系統(tǒng)的限位阻尼系統(tǒng)限制了結(jié)構(gòu)的過(guò)大位移，保證結(jié)構(gòu)“大震不倒”，從而達(dá)到抗震設(shè)防的目的。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)概念簡(jiǎn)單，減震機(jī)理明確，減震效果明顯，安全可靠，適用于不同烈度和不同抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)物和設(shè)備。與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震技術(shù)具有以下優(yōu)越性：

（1） 提高了結(jié)構(gòu)地震安全性及舒適感。隔震體系明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，一般可以大大減輕結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)，使上部結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)物的安全，降低了地震作用的不確定性，從而達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防要求。根據(jù)基底隔震結(jié)構(gòu)在地震中的強(qiáng)震記錄和振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)可知，這種隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)是傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/4～1/12；

（2） 防止了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞和建筑物內(nèi)設(shè)備的振動(dòng)和破壞。隔震體系使結(jié)構(gòu)的變形主要局限于隔震層，上部結(jié)構(gòu)自身相對(duì)變形大大減小。在中小地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有損壞，仍處在彈性工作階段；在罕遇大地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)一般僅發(fā)生部分破壞或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞，而不至倒塌，上部結(jié)構(gòu)近似于剛體振動(dòng)，可以保持儀器和設(shè)備的正常使用功能；

（3） 降低了房屋結(jié)構(gòu)的造價(jià)。雖然隔震裝置需增加約5%的造價(jià)，但由于地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)的地震作用大大降低，使上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件面積、配筋減少，構(gòu)造措施和施工簡(jiǎn)單，隔震結(jié)構(gòu)的總造價(jià)仍可降低。統(tǒng)計(jì)表明：7度區(qū)可節(jié)省1%～3%；8度區(qū)可節(jié)省5%～15%；九度區(qū)可節(jié)省10%～20%；

（4）結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)較為靈活。由于上部結(jié)構(gòu)地震作用減小很多，使得對(duì)建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的嚴(yán)格限制大大放寬；

（5） 隔震體系即使在地震作用后產(chǎn)生較大的永久損壞，它的復(fù)位、更換、維修也很方便，只需對(duì)隔震裝置進(jìn)行必要的修復(fù)，而無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)物本身的修復(fù)，震后可以很快的恢復(fù)生產(chǎn)和生活，具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益；

（6） 抗震措施簡(jiǎn)單明了，減震機(jī)理明確?？拐鹪O(shè)計(jì)只需考慮隔震層的隔震設(shè)計(jì)，目的明確，無(wú)需考慮復(fù)雜的抗震節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；

（7） 基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)既可以應(yīng)用于重要的建筑物，也可以應(yīng)用于一般的房屋結(jié)構(gòu)；既可以應(yīng)用于新建筑，也能應(yīng)用于已建的建筑的抗震加固改造。

參考文獻(xiàn)：

[1]周福霖.中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S].2001.

[2]孫柏鋒，潘文.疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J]，世界地震工程，2007，23（2），139～143.

[3]GB50011一2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].