關于在鐵路房屋中采用基礎隔震技術的探討

陳詩白

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 問題的提出

我國近年來地震頻發，且震源淺、分布廣。僅汶川地震，就造成了大量鐵路生產生活房屋的倒塌或損壞。目前鐵路房屋抗震設防烈度主要是依據《中國地震動參數區劃圖》。汶川、玉樹等歷次大地震之后，迫切需要針對地震區劃圖的完善性，深入探討鐵路房屋抗震防倒塌的技術對策。

迄今為止，我國已經編制發布了四代地震區劃圖。幾代區劃圖的編制反映了我國地震科學發展的不同階段。編圖方法從簡單的“地震重復”、“百年尺度地震預測”發展到地震危險性概率分析方法［1-2］;編圖參數由地震烈度發展到地震動參數。汶川、玉樹地震倒塌的大批房屋中，許多是由于未按地震區劃設防而倒塌，例如大量的未經正規設計的村鎮民居。

而有些“抗震”房屋雖然已按地震區劃設防但仍未免于倒塌。這說明，現行地震區劃圖對許多地區的罕遇地震參數估計過低［2］，尚不能保證房屋抗倒塌目標的實現。因為這些房屋遭遇的實際地震烈度，高于地震區劃設防烈度不止一度;而根據現行建筑抗震設計規范，“抗震”房屋“大震不倒”的保障前提僅限于遭遇到比設防烈度高一度的地震作用。

我國鐵路建設正處在一個高速發展的歷史時期。普遍提高鐵路重要生產生活房屋的抗震能力，是保障公眾生命安全、減輕地震對鐵路運輸破壞程度的前提。對于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的生命線相關鐵路房屋，例如行車調度、運轉、通信、信號、供電、供水建筑，以及6 000人以上的旅客站房等，按現行規范［3］規定，即按高于區劃設防烈度一度的要求加強其抗震構造措施，確實能提高抗震能力，但其提高效果是很有限的。因此建議，對于建在硬土場地的此類鐵路重要房屋，宜積極采用國內外較為成熟的基礎隔震先進技術。國內外大量試驗和工程經驗表明［4-5］，基礎隔震房屋的抗震能力高于同條件下的傳統“抗震”房屋。

2 鐵路房屋采用基礎隔震技術的進一步探討

2.1 “抗震”房屋與“基礎隔震”房屋

“抗震”房屋是用房屋結構自身的承載力和塑性變形能力直接抗震，立足于“抗”。其缺點是:當房屋遭遇高于設防烈度一度的“大震”時，即使能夠“大震不倒”，但結構構件在利用自身承載力和塑性變形能力耗散地震能量的同時，構件本身也遭到損壞，使房屋喪失了使用功能，且房屋內部設備或物品難免被震壞。而且，即使通過“超規范”設計，能提高房屋的抗震能力，但由于房屋結構構件斷面加大，質量放大，不僅造價上升，所受到的地震作用也必然增大，形成了不良循環。

區別于“抗震”房屋，“基礎隔震”房屋立足于“隔”［6-7］:當地震來襲，基礎隔震層能阻隔地震能量向上部結構的傳遞，因而能保護房屋上部結構和內部設備免遭大的損壞。

2.2 國內外基礎隔震房屋的應用情況

我國古建筑營造技術已體現出房屋基礎隔震理念的樸素雛形，譬如北京故宮上部結構與基礎之間的糯米石灰墊層等。

現代的建筑基礎隔震理念是19世紀末由日本提出并且在日本、美國等國家獲得快速發展，較為成熟的是采用橡膠隔震支座。應用范圍從橋梁到住宅，包括政府大樓、醫院、學校、體育場館、博物館等。在1994年美國洛杉磯6.8級地震和1995年日本阪神7.2級大地震中，與常規“抗震”房屋相比，隔震房屋顯示了令人驚嘆的優越性。

20世紀80年代以來，基礎隔震技術在我國開始得到關注并采用。1994年臺灣海峽發生7.3級地震并波及汕頭地區時，汕頭市區同地段的傳統“抗震”房屋發生了較為劇烈的晃動，而“隔震”房屋的住戶們卻沒有震感。目前我國已建造了超過200萬㎡的隔震房屋［8］，其中絕大多數采用的是疊層橡膠隔震裝置。

目前，房屋隔震技術標準日趨完善。美國、日本、新西蘭等國家相繼頒布了建筑隔震設計規程。我國也在2001年頒布了《疊層橡膠支座隔震技術規程》(GECS126:2001)。

在國內鐵路房屋建設中，基礎隔震技術已在“橋建合一”鐵路客站等極少量工程中被采用;而眾多的設計使用年限為50年的鐵路重要生產生活房屋，仍以“抗震”方式為主。

2.3 新建鐵路房屋

為滿足鐵路運輸生產工藝布局等多因素綜合需求，混凝土框架、剪力墻和多層砌體結構類型在鐵路房屋中所占比例很大。而此類房屋結構類型正是國內外基礎隔震技術應用較早、較成熟的房屋結構類型［4，9］。

按照《中長期鐵路網規劃》［10］，到2020年，全國鐵路網營業里程將達到12×104km以上，這必將引發各類鐵路重要生產生活房屋的建設高峰。而這些新建房屋無論其建筑規模的大小，都將和房屋內部的工藝設備結合為一體，成為鐵路運輸的神經樞紐，牽一點而動全局。因此，房屋和設備均不喪失使用功能才是地震后鐵路運輸系統快速恢復的關鍵。

若按基礎隔震理念設計這些新建鐵路房屋，不僅將使房屋本身少受震害，同時將能很好地防護房屋內部工藝復雜的設備。同條件下，新建鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種方式宏觀性能預測對比見表1。

2.4 既有鐵路房屋

在既有線改擴建中，對于需要抗震加固利舊的房屋，用傳統的“抗震”加固方式(即加固后靠房屋結構自身承載、變形能力來抵抗地震作用)較難達到強度和延性的合理匹配。若采用基礎隔震技術對房屋進行加固利舊，不僅加固后抗震能力高于“抗震”房屋，對于鐵路運輸系統的暢行更具獨特益處。同條件下，“抗震”與“隔震”兩種加固方式的宏觀性能預測對比見表2。

2.5 基礎隔震支座的耐久性

按現行標準，大部分鐵路重要生產生活房屋設計使用年限為50年。實踐表明，隔震支座的工作壽命可超過50年［11］。如澳大利亞墨爾本某鐵路橋使用橡膠支座，于1889年建成，已使用100多年，老化深度僅為5 mm。目前的橡膠隔震支座產品，大都采用了外圍保護層以及抗老化劑、阻燃劑等措施，壽命可達到或超過房屋設計使用年限。即使隔震層部件在房屋設計使用年限內需要改裝、更換，其施工也是不難操作的。

2.6 基礎隔震房屋的宏觀造價

從表1和表2還可以看出，和“抗震”房屋相比，由于地震動本身主要由隔震層承擔而不完全需要上部房屋結構本身“硬抗”，因而房屋上部結構的土建造價會降低很多，可用于抵消隔震層造價。文獻［9］認為，隔震技術是在增加不多的投資情況下來提高建筑物的抗震目標。近年來一些隔震房屋工程實例的宏觀評估認為，同等造價條件下或造價略有增、減的條件下，“隔震”房屋的抗震設防目標高于傳統“抗震”房屋的目標。

表1 新建鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種方式宏觀性能預測對比

表2 既有鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種加固方式宏觀性能預測對比

如果再考慮與“抗震”房屋相比，基礎隔震房屋在地震時減輕了房屋結構的破壞、減輕了內部設備的損失、減輕了人員傷亡、減輕了鐵路運營停工停產損失和震后修復費用等，可見隔震房屋全壽命造價明顯降低。

3 結語

基礎隔震技術在鐵路房屋中的推廣應用，尚需主管部門政策引導和業主積極支持。這將普遍提升鐵路房屋抗震防倒塌能力，促進鐵路科技創新，更將使鐵路房屋建設具有傳統“抗震”房屋無法比擬的全壽命優勢。

［1］中華人民共和國國家質量技術監督局.GB18306—2001，中國地震動參數區劃圖［S］.北京:中國標準出版社，2001.

［2］高孟潭，盧壽德.關于下一代地震區劃圖編制原則與關鍵技術的初步探討［J］.震災防御技術，2006，1(1):1-6.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50223—2008建筑工程抗震設防分類標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011—2001建筑抗震設計規范(2008年版)［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［5］朱玉華，呂西林，馮德民，等.基礎隔震房屋模型振動臺試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2000，20(3):123-130.

［6］解詠平，宋雪琳，張松.基于簡化微分方程的 FPS隔震結構地震響應分析［J］.鐵道建筑，2008(8):114-116.

［7］日本免震構造協會.建筑設計與細部［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［8］黃世敏，楊沈.建筑震害與設計對策［M］.北京:中國計劃出版社，2009.

［9］高小旺，龔思禮，蘇經宇，等.建筑抗震設計規范理解與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［10］中華人民共和國鐵道部.發改基礎［2008］2901號 中長期鐵路網規劃(2008年調整)［DB/OL］.http://www.china-mor.gov.cn/tllwjs/tlwgh.html.

［11］中國工程建設標準化協會.CECS126:2001疊層橡膠支座隔震技術規程條文說明［S］.北京:中國工程建設標準化協會，2001.