基礎(chǔ)隔震技術(shù)綜述

(廣州大學土木工程學院　廣東　廣州　510000)

引言

地球活動的重要標志之一就是地震。人類生活在地球表面，地面上的所有人建造建筑物在地震發(fā)生時都不可避免地要遭受地震的沖擊。有些大地震可能會給人類帶來災(zāi)難性的后果。我國位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，在全球大陸地區(qū)的大地震中，約有四分之一至三分之一發(fā)生在我國。自1900年至今，我國6至6.9級地震545余次，7至7.9級地震111次，8級以上地震12次。2017年，四川九寨溝發(fā)生震級為7.0級地震。造成25人死亡，176492人受災(zāi)，73671間房屋不同程度受損。2013年，四川省雅安市蘆山發(fā)生震級為7.0級地震。造成196人死亡，11470人受傷，直接經(jīng)濟損失高達500億，并且隨之又引發(fā)了大量的滑坡等次生災(zāi)害。2010年，青海玉樹發(fā)生震級為7.1級地震，造成2698人遇難。2008年，四川汶川發(fā)生震級為8級地震。遇難69225人，受傷374640人，失蹤17923人。直接經(jīng)濟損失達8451億元。1976年，河北唐山發(fā)生震級為7.8級地震。造成24萬余人死亡，16萬人受傷。1975年，遼寧海城發(fā)生震級為7.3級地震。傷亡人員總數(shù)為29579人，其中死亡2041人。地震造成城鎮(zhèn)房屋倒塌及破壞約500萬m2，公共設(shè)施損壞165萬m2，農(nóng)村房屋毀壞1740萬m2，各種設(shè)備、物資也遭到嚴重損壞，總計約8.1億元[3]。1966年，河北邢臺發(fā)生震群型地震。共損壞房屋508萬間，其中262余萬間嚴重破壞或倒塌。位于震中地區(qū)房屋幾乎全部倒塌，村鎮(zhèn)街道變成一片廢墟。地震中共有8064人喪生、38451人受傷。

一、減輕地震災(zāi)害的基本對策

全球的地震時常發(fā)生，而生活在地震高發(fā)地帶的人們更是遭受著不同大小和不同發(fā)生頻率地震的威脅。世界每年因地震而造成的生命、經(jīng)濟、環(huán)境等的損失破壞更是難以估量。目前，人類減輕地震災(zāi)害常見的基本對策有：(1)地震預(yù)報，目前達到的水平是“偶有成功，錯漏甚多”雖然取得了可喜的成果，但仍不能預(yù)報所有地震。(2)地震工程通過工程技術(shù)提高城市綜合抗御地震的能力和提高各類建筑的耐震性能。目前達到的水平是“屢見成功，偶有失利”[1]。

二、工程結(jié)構(gòu)減震控制

地震的發(fā)生導致大量損失的起因是由于建筑物的倒塌造成，因此，如何使建筑物經(jīng)受住地震的考驗，是一個重大但又很現(xiàn)實的問題。多年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，抗震設(shè)計技術(shù)也逐步提升和完善，然而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用“硬抗”的方法，即采用加強結(jié)構(gòu)，加粗構(gòu)件配筋，提高結(jié)構(gòu)剛度等方法來抵抗地震。這種方法使用了大量的材料，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用越大，惡性循環(huán)，導致的結(jié)果是既不經(jīng)濟，在大震下也不一定安全。然而，與“硬抗”相對應(yīng)的減震控制技術(shù)則彌補了這一不足。減震控制技術(shù)主要采用三種方法：隔震、消能還有調(diào)整結(jié)構(gòu)動力特性，通過這些技術(shù)來隔離地震或者一定程度上減弱地震反應(yīng)，以此達到更安全、經(jīng)濟和有效減弱地震作用的效果[8]。隔震技術(shù)作為正不斷完善且具有代表性的抗震技術(shù)之一，在國內(nèi)外被廣泛地應(yīng)用，并在眾多地震中經(jīng)受住了考驗，得到科研人員的認可[2]。

三、隔震技術(shù)的發(fā)展

近幾十年來，越來越多的地震被記錄累積下來，結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法也從靜力法發(fā)展到反應(yīng)譜法再到時程分析法，從線彈性到彈塑性分析，理論日漸成熟。而振動臺等試驗設(shè)備的研究開發(fā)以及疊層橡膠支座的研制成功，得以讓基礎(chǔ)隔震技術(shù)理論得到了更加可靠的實驗支撐，也為此技術(shù)的推廣和示范應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

與抗震結(jié)構(gòu)相比，雖然隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時期較晚，但其構(gòu)想在19世紀末就已經(jīng)基本形成了。基礎(chǔ)隔震概念最早是由日本學者河合浩藏于1881年12月在日本“建筑雜志”中提出。1909年，世界上第一個隔震結(jié)構(gòu)的專利由英國醫(yī)生J.A.Calantarientszai在美國提出。1924，鬼頭健三郎提出了圓球形式的隔震結(jié)構(gòu)，等等。

世界上首次在隔震結(jié)構(gòu)中使用橡膠支座國家是南斯拉夫。1981年，新西蘭開發(fā)出內(nèi)部包含鉛芯的疊層橡膠支座。由于這種支座具有支撐固定荷載及消費地震能量的雙重作用，并且施工簡單，設(shè)置方便，在世界各國得到了普遍的應(yīng)用[3]。我國于1993年在汕頭市由周福霖教授主持完成了第1棟橡膠隔震支座房屋(8層框架)，并于1994年9月16日臺灣海峽地震中經(jīng)受考驗，被譽為世界隔震史上的第3個里程碑[10]。

值得關(guān)注的是，近年來隔震技術(shù)發(fā)展應(yīng)用很快，中國已建成近3800幢隔震建筑，150座隔震橋梁；日本已建成近4500幢隔震建筑，1800座隔震橋梁；美國已建成近180幢隔震建筑，110座隔震橋梁。云南省昆明機場航站樓、廣州科技中心等大型公共建筑已采用了隔震技術(shù)；31層建筑高度90.35m的國內(nèi)最高隔震高層建筑已通過抗震專項審查；核電站設(shè)施已采用隔震技術(shù)；實用經(jīng)濟的隔震技術(shù)已在中國農(nóng)村民居中推廣應(yīng)用。

四、基礎(chǔ)隔震原理及特點

基礎(chǔ)隔震是指將隔震層設(shè)置在建筑的上部結(jié)構(gòu)和下面的基礎(chǔ)之間，通過使用隔震層來延長結(jié)構(gòu)體系的自振周期與增大阻尼，使得輸入上部主體結(jié)構(gòu)的地震作用削弱，從而達到減震的效果[11]。

傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)是通過加大構(gòu)件的截面和強度來抗住地震產(chǎn)生的變形和內(nèi)力效應(yīng)，但這就使得結(jié)構(gòu)的剛度和自重加大而吸收了更多的地震能量，從而制約了抗震結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)和復雜結(jié)構(gòu)形式中的應(yīng)用。而基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，由于其水平剛度相比上部結(jié)構(gòu)較低，從而降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，延長整個體系的自振周期，讓反應(yīng)偏離了大多數(shù)地震的地面運動能量最集中的周期區(qū)間，使得結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度反應(yīng)得以減小。與此同時，隔震結(jié)構(gòu)增大的阻尼，而阻尼提供了一定的耗能能力，有效地遏制了結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)。通過增大周期和阻尼以減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的原理，使得地震作用在結(jié)構(gòu)上的破壞性荷載和變形得以減小，隔震層使上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分隔開來，耗散掉大部分能量，使得上部主體結(jié)構(gòu)相比沒做隔震時，在地震作用下僅是稍微的平動，讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)附屬物得以更好的保護，達到減震目的。

不采用基礎(chǔ)隔震的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)因其基礎(chǔ)與上部主體連成一體，這使得在地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移隨由下而上逐層增大，使得邊柱、角柱和柱頂較易破壞。而當采用了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，同樣在地震作用下，隔震層發(fā)生較大的水平向位移，而上部結(jié)構(gòu)僅發(fā)生較小的層間位移，由下到上并無較大區(qū)別，近似平動，而上部結(jié)構(gòu)的加速度也僅僅相當于不做隔震結(jié)構(gòu)的1/3～1/5。

五、結(jié)語

相比傳統(tǒng)的抗震建筑，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)有如下的優(yōu)點：(1)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制減小，使用空間增大；(2)減小了地震時帶來的不適感，提升了居住性；(3)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本不會損壞；(4)增強了振動時建筑的整體安全性；(5)防止了建筑內(nèi)部物體的移動、翻到引發(fā)的次生傷害和經(jīng)濟損失；(6)保證了地震時水電等設(shè)備的使用功能；(7)震后檢測修復簡便；(8)適用范圍廣，尤其適用于抗震性能高或生命線工程等；(9)對于高烈度區(qū)可節(jié)省3%～20%的房屋造價。隔震建筑在地震中顯著的減震效果及相關(guān)規(guī)程、標準的推出，隔震技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。

【參考文獻】

[1]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].地震出版社,1997.

[2]武田壽一.建筑物隔震防振與控振[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[3]傅金華.日本抗震結(jié)構(gòu)及隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.