隔震技術(shù)發(fā)展綜述

張家駿

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 5100006)

一、引言

地震川是一種具有強(qiáng)烈毀滅性的自然災(zāi)害，強(qiáng)烈得可以地動(dòng)山搖，山崩地烈。同時(shí)地震又具有突發(fā)性，直到科學(xué)發(fā)達(dá)的今天，我們?nèi)匀粺o(wú)法對(duì)地震進(jìn)行預(yù)測(cè)。強(qiáng)烈的地震會(huì)給人類(lèi)的生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的威脅。我國(guó)處于太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，是世界上發(fā)生地震最多的國(guó)家之一，從1900年以年，我國(guó)發(fā)生的7.0級(jí)以上地震就近20次，造成45萬(wàn)人死亡以及無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失。2008年5月12日發(fā)生在四川省汶川縣的8.0級(jí)大地震，造成了8.8萬(wàn)人的死亡或失蹤，8000多億人民幣的直接經(jīng)濟(jì)損失，其傷亡人數(shù)之眾多，建筑結(jié)構(gòu)破壞、倒塌之嚴(yán)重讓全世界為之震驚。

在過(guò)去的20世紀(jì)[1]，人們對(duì)地震的預(yù)測(cè)和防御做了大量的研究，特別是1906年美國(guó)舊金山地震和1923年日本關(guān)東地震后，各國(guó)學(xué)者提出了各種抗震設(shè)計(jì)觀點(diǎn)?？偟恼f(shuō)來(lái)，結(jié)構(gòu)抗震體系經(jīng)歷了三個(gè)階段的演變，即剛性結(jié)構(gòu)體系、柔性結(jié)構(gòu)體系和目前的延性結(jié)構(gòu)體系。最早提出的剛度結(jié)構(gòu)體系是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)的承載力達(dá)到抵抗地震的效果。由于結(jié)構(gòu)固定在地面上，增加結(jié)構(gòu)剛度，在地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)也會(huì)增加，進(jìn)而需要更大的構(gòu)件截面和配筋率，如此便會(huì)進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)。因此，人們又提出了柔性結(jié)構(gòu)體系，即減小結(jié)構(gòu)的剛度以達(dá)到減小地震作用的效果。但這樣做的結(jié)果卻是結(jié)構(gòu)可能在地震作用下變形過(guò)大而發(fā)生破壞。

因此，到了第三階段研究者提出了延性結(jié)構(gòu)體系，其抗震原理是能過(guò)增加結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)抵抗小震，而對(duì)于大地震是通過(guò)結(jié)構(gòu)的彈塑性變形來(lái)吸收傳到結(jié)構(gòu)的地震能量，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重的破壞，達(dá)到結(jié)構(gòu)不倒的目的。這是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的抗震方法。

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法[2]以“小震不壞，中震可修，大震不倒”作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。但是當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_(dá)到一定程度以后，這種抗震結(jié)構(gòu)體系就會(huì)十分不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)可能不能滿(mǎn)足安全性能的要求。隨著社會(huì)的發(fā)展，一些建筑物的抗震性能要求越來(lái)越高，如醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室、通訊中心，這些建筑內(nèi)配備的高靈敏度、高價(jià)值的設(shè)備是越來(lái)越多。在中等的地震作用下而，這些設(shè)備儀器就可能無(wú)法正常地使用，在稍高的水平加速度作用下，就可能發(fā)生不可修復(fù)的破壞。又如在博物館和圖書(shū)館中有一些非常珍貴的文物和書(shū)籍，如果建筑物上部運(yùn)動(dòng)過(guò)大都很容易將這些物品損壞，這都是我們不想看到的。

因此，為了解決傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的不足，尋求既安全，適用、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)體系各國(guó)科研人員和工程技術(shù)人員相繼進(jìn)行了大量研究，隔震結(jié)構(gòu)體系也就應(yīng)運(yùn)而生。其原理是在建筑中設(shè)置小剛度的隔震層，地震中隔震層產(chǎn)生較大的變形而耗能掉大部分地震能量，僅有一少部分傳到上部結(jié)構(gòu)，從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用，提高其安全性。隔震結(jié)構(gòu)體系的提出，適時(shí)地滿(mǎn)足了人類(lèi)的需求，為人類(lèi)與地震的抗?fàn)幪岢隽艘粭l新的思路。

二、國(guó)外隔震技術(shù)研究現(xiàn)狀

基礎(chǔ)隔震概念[3][4]最早于1881年由日本學(xué)者河合浩藏提出，他提出在地基上并排鋪設(shè)數(shù)層圓木，將它們稍許固定，再在上面打水泥混凝土，建造建筑物。這是一種初級(jí)的隔震結(jié)構(gòu)體系構(gòu)思。1909年，英國(guó)醫(yī)生J.A.Calantarients在美國(guó)提出了在建筑物結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間用滑石粉隔開(kāi)的隔震結(jié)構(gòu)方案。

1921年[3]，第一座采用基礎(chǔ)隔震思想的建筑東京帝國(guó)飯店建成，由設(shè)計(jì)師FL·萊特設(shè)計(jì)。該建筑的地基下有淤泥層，淤泥層上部為2.5米厚的硬土層，設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性地以地基中淤泥層直接作為結(jié)構(gòu)的隔震層。在1923年的日本關(guān)東大地震中，該建筑經(jīng)受住了地震的考驗(yàn)，幾乎沒(méi)有受到損傷。因此，在日本關(guān)東大地震后，1924年，日本也開(kāi)始有隔震結(jié)構(gòu)專(zhuān)利，這其中有鬼頭三健郎的“建筑物抗震裝置”專(zhuān)利和山下興象的“結(jié)構(gòu)物抗震裝置”專(zhuān)利。1965[1]年，第三次世界地震工程會(huì)議在新西蘭的召開(kāi)，日本學(xué)者松下清夫與和泉正哲在會(huì)議上提出以搖動(dòng)球裝置進(jìn)行隔震，這是首次提出以解析法論證構(gòu)造。

現(xiàn)在在隔震結(jié)構(gòu)廣泛使用的橡膠支座最早使用的是在南斯拉夫于1969年由瑞士人設(shè)計(jì)建成的一座小學(xué)中，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)以及支座的設(shè)計(jì)不合理，該建筑的基礎(chǔ)隔震并不成功。隨著美國(guó)學(xué)者[1]kely和Eidinger在1978年提出了疊層橡膠支座的設(shè)計(jì)以及1985年高阻尼橡膠支座的首次投入使用，標(biāo)志著隔震技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。對(duì)隔震技術(shù)的快速發(fā)展，美國(guó)、新西蘭、日本等國(guó)家功不可沒(méi)，大量的研究人員投入精力到隔震技術(shù)研究中，對(duì)基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)。

由于采用橡膠隔震支座的隔震建筑在1994年的美國(guó)洛杉磯地震和1995日本阪神地震中表現(xiàn)出優(yōu)秀的隔震效果，隔震技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注和重視。特別是在日本，阪神地震后的一年時(shí)間，日本新建的隔震建筑超過(guò)了歷史總和。到2009年，日本建成的隔震建筑超過(guò)3800棟。

三、國(guó)內(nèi)隔震技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)隔震技術(shù)的研究及應(yīng)運(yùn)相對(duì)較晚。國(guó)內(nèi)開(kāi)始基礎(chǔ)隔震理論的研究是在1966年，李立教授[1]研究了以砂礫層作為摩擦材料的可行性。國(guó)內(nèi)隔震技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程是在80年代。1983年，西安市建筑開(kāi)發(fā)公司稅國(guó)在大理和西安主持建造了移塊隔震房屋。1986年，劉德馨、曾國(guó)霖等主持建成了以墨沙礫滑移層作為隔震層的隔震房屋。

由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，造價(jià)低廉的砌體結(jié)構(gòu)在很長(zhǎng)一段時(shí)間占據(jù)了我國(guó)建筑行業(yè)的主體地位，在隔震結(jié)構(gòu)研究的早期，主要以這種結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。在上世紀(jì)80年代，隔震技術(shù)研究主要以低造價(jià)材料的摩擦滑移隔震為主，內(nèi)容包括選材、分析方法、模型試驗(yàn)等。

1987年，國(guó)家地震工程局力學(xué)研究[5]所對(duì)采用基礎(chǔ)隔震的多層磚混模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)可以有效地降低多層建筑的地震反應(yīng)。天津大學(xué)張曉臨和宋秉澤教授研究了多層隔震結(jié)構(gòu)的滑移和搖擺問(wèn)題，并進(jìn)行了輸入正弦波的振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)。郭春雨、龔思禮對(duì)基底滑動(dòng)摩擦隔震建筑在同時(shí)受到水平和豎直雙向地震作用時(shí)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行了分析，張作運(yùn)對(duì)該結(jié)構(gòu)的水平搖擺及水平一扭轉(zhuǎn)耦連的振動(dòng)情況進(jìn)行了分析。

從1985年開(kāi)始，遼寧省建筑科學(xué)研究院樓水林等對(duì)各種不同摩擦材料進(jìn)行試驗(yàn)，最后確定以石墨增滑劑為滑移材料的隔震體系，并結(jié)合工程應(yīng)用，提出了相應(yīng)的配套措施和技術(shù)要求到了80年代后期，我國(guó)科研人員開(kāi)始關(guān)注橡膠支座技術(shù)。到20世紀(jì)90年代橡膠支座隔震技術(shù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展，并逐步推廣運(yùn)用。

唐家祥、周福霖、劉文光、周錫元、劉季、施衛(wèi)星等[6]在90年代都作了大量的研究工作。其中，唐家祥對(duì)橡膠支座隔震元件和體系進(jìn)行了理論和試驗(yàn)分析，率先自主開(kāi)發(fā)了橡膠支座產(chǎn)品。周福霖為國(guó)內(nèi)隔震技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用做了較大貢獻(xiàn)，指導(dǎo)建成了我國(guó)第一家專(zhuān)業(yè)的橡膠支座生產(chǎn)廠(chǎng)家，對(duì)橡膠支座隔震框架進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和大量的常用橡膠隔震支座的試驗(yàn)，出版了《工程結(jié)構(gòu)減震控制》一書(shū)。周錫元等對(duì)橡膠支座的穩(wěn)定性和臨界荷載、橡膠支座及其與柱串聯(lián)系統(tǒng)的水平剛度計(jì)算方法、橡膠支座的限位與保護(hù)、計(jì)算設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行了深入的理論和試驗(yàn)研究。

到本世紀(jì)初，隔震技術(shù)被寫(xiě)入《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)，標(biāo)志著我國(guó)隔震技術(shù)進(jìn)入成熟應(yīng)用階段。