淺述房屋基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用

岑 巍

0 引言

震驚世界的“5?12”汶川大地震發(fā)生后,作為成都鐵路局鐵路房屋災(zāi)后調(diào)查活動成員,作者參加了成都鐵路沿線房屋的災(zāi)后調(diào)查工作。處于三條支線末端的什邡、綿竹、都江堰均屬于此次地震的重災(zāi)區(qū),房屋受地震影響破壞程度非常嚴(yán)重,并通過現(xiàn)場調(diào)查,對各種類型不同結(jié)構(gòu)的房屋地震破壞特征有了非常直觀的了解,對地震的破壞機理有了一定的認(rèn)識。此次地震給災(zāi)區(qū)鐵路房屋設(shè)備帶來的嚴(yán)重破壞及對鐵路職工生產(chǎn)生活造成的影響讓人觸目驚心,作為鐵路房屋的管理者,如何提高房屋的抗震性能,減小房屋地震災(zāi)害損失成為當(dāng)前必須思考的問題。作者根據(jù)本次房屋震害調(diào)查情況的一點啟示,從房屋抗震措施改進方面,就如何利用房屋基礎(chǔ)隔震技術(shù),提高房屋抗震性能提出自己的一點見解。

1 廣木線穿心店站貨運樓的震害特征及原因分析

在成都鐵路局房屋震害現(xiàn)場調(diào)查過程中,廣木線穿心店站的貨運樓引起了大家的特別關(guān)注,因其周圍房屋已嚴(yán)重開裂、基本倒塌,但該房屋上部結(jié)構(gòu)卻完好無損。在對其震害情況進行了仔細(xì)勘察后發(fā)現(xiàn),該房主體結(jié)構(gòu)向后傾斜,傾斜度達1/150,基礎(chǔ)圈梁下部磚砌體嚴(yán)重開裂、錯位(見圖1),上部整體結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)裂縫,剔除房屋基礎(chǔ)磚砌體裝飾層后發(fā)現(xiàn)房屋抗震構(gòu)造柱未伸入室外地面下。鐵路沿線的生產(chǎn)生活房屋基本上為多層磚混結(jié)構(gòu),雖然房屋的受損害程度隨房屋的層數(shù)、平面布置、高寬比、朝向等因素的不同而各有所異,但破壞特征都有一個共同點,就是處于重災(zāi)區(qū)的這些磚混房屋上部主體結(jié)構(gòu)均嚴(yán)重開裂甚至倒塌,為什么這棟房屋的上部結(jié)構(gòu)完好無損,為什么它的震害特征和其他房屋不一樣,帶著這些疑問,作者首先對該房屋的修建情況進行了了解,該房為兩層磚混結(jié)構(gòu),竣工于2006年,6度設(shè)防,平面呈矩形分布,處于斜度為30°的坡地上,采取了設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁等抗震措施,基礎(chǔ)為毛石混凝土條基,地圈梁置于室內(nèi)地面標(biāo)高,地圈梁與毛石混凝土基礎(chǔ)之間(室內(nèi)外高差部分)為磚砌體,構(gòu)造柱從地圈梁開始錨固。其次,對該房屋的地震破壞機理進行了分析推測,該房屋竣工時間短,采取了抗震設(shè)計,因此地圈梁以上主體結(jié)構(gòu)規(guī)則、整體性好、剛度大、抗震能力強。但該房構(gòu)造柱從地圈梁開始錨固,未伸入地下基礎(chǔ)內(nèi),從而削弱了地面至地圈梁部分磚基礎(chǔ)的整體性及抗震能力,在地圈梁下部磚砌體部位形成了水平的抗震薄弱環(huán),當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,薄弱環(huán)吸收了大部分的地震能量而嚴(yán)重破壞,再加上該房屋建于坡地上,地基發(fā)生偏移沉降也吸收了部分能量,因此傳至上部主體結(jié)構(gòu)的地震能量已經(jīng)很小,結(jié)構(gòu)震動和位移變形很輕微,也就不會出現(xiàn)墻體開裂等通常的震害特征。

為了證明上述推理的正確性,作者查閱了國內(nèi)房屋抗震研究的相關(guān)文獻資料,其中的混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震設(shè)計技術(shù)原理能較好地解釋和應(yīng)證這種推理。其中,國家現(xiàn)行GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范已正式納入了基礎(chǔ)隔震技術(shù),對混凝土結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計技術(shù)作出了相應(yīng)的規(guī)定。下面就房屋基礎(chǔ)隔震技術(shù)設(shè)計的原理及當(dāng)前研究應(yīng)用情況進行簡要的介紹。

2 房屋基礎(chǔ)隔震技術(shù)抗震原理及基本要求

房屋基礎(chǔ)隔震技術(shù)的原理就是通過水平剛度低且具有一定阻尼的隔震器將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)或底部結(jié)構(gòu)之間實現(xiàn)柔性連接,使輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量加速度大為降低,并由此大幅地提高房屋結(jié)構(gòu)對強烈地震的防御能力。

房屋基礎(chǔ)隔震體系包括上部結(jié)構(gòu)、隔震器(裝置)和下部結(jié)構(gòu)三部分,隔震體系應(yīng)滿足以下基本要求:

1)基礎(chǔ)隔震裝置應(yīng)具有一定的阻尼和消能能力,以保證體系在地震時具有的工作性能。2)基礎(chǔ)隔震裝置必須具有足夠的豎向承載力,能夠安全支撐上部結(jié)構(gòu)的所有荷載,確保房屋結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài)下的絕對安全并滿足使用要求。3)基礎(chǔ)隔震裝置應(yīng)具有可變的水平剛度。在強風(fēng)或微小地震時,隔震器應(yīng)具有足夠高的水平剛度,使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生的水平位移極小而不影響使用要求。在中等強度地震下,其水平剛度將逐漸變小,使原本剛性的抗震結(jié)構(gòu)體系變?yōu)槿嵝愿粽鸾Y(jié)構(gòu)體系,其固有周期大大延長而遠(yuǎn)離場地的特征周期,從而明顯地降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。4)基礎(chǔ)隔震裝置應(yīng)具有水平彈性恢復(fù)力,使房屋隔震結(jié)構(gòu)體系在地震中具有自動復(fù)位功能,由此滿足震后房屋結(jié)構(gòu)的使用功能要求。

3 房屋基礎(chǔ)隔震技術(shù)的優(yōu)越性

1)明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),提高了地震時結(jié)構(gòu)的安全。國內(nèi)外大量試驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗表明:基礎(chǔ)隔震一般可以使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右,上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)僅相當(dāng)于不隔震情況下的1/8～1/4。地震時房屋上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)類似于剛體平動,結(jié)構(gòu)的震動和變形均可控制在較輕微的水平,從而使房屋內(nèi)部設(shè)備的安全得到更可靠的保證。2)地震防護措施簡單明了。基礎(chǔ)隔震設(shè)計把非線性,大變形集中到了隔震裝置這一特殊的構(gòu)件上,從考慮整個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、不甚明確的抗震措施轉(zhuǎn)換為只考慮隔震裝置,這樣就可以把設(shè)計、試驗、制造的注意力集中到這些構(gòu)件上。由于上部主體結(jié)構(gòu)近似于彈性變形狀態(tài),結(jié)構(gòu)分析的方法也可以簡化;同時,在地震后,只需對隔震裝置進行檢查更換,而無需過多地考慮房屋結(jié)構(gòu)本身的修復(fù)。3)具有較大經(jīng)濟效益和社會效益。雖然采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)會增加基建投資(約5%),但上部結(jié)構(gòu)抗震措施標(biāo)準(zhǔn)降低會節(jié)省建筑的總造價。從已建造的采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的房屋得知,多層基礎(chǔ)隔震房屋比傳統(tǒng)抗震房屋節(jié)省土建造價:7度節(jié)省1%～3%,8度節(jié)省5%～15%,9度節(jié)省10%～20%。如果將地震災(zāi)害的潛在綜合損失考慮進去(包括結(jié)構(gòu)、建筑、設(shè)備財產(chǎn)以及建筑物中斷使用帶來的損失),基礎(chǔ)隔震房屋具有更高的經(jīng)濟和社會效益。4)大幅度降低地震時內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝飾物的震動、移動和翻倒的可能性,從而大大減輕了次生災(zāi)害的危害。

4 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用及前景

基礎(chǔ)隔震技術(shù)經(jīng)過理論分析、試驗研究、工程試點、經(jīng)濟分析,其有效性得到了驗證,技術(shù)也日益完善與成熟。在國際上,日、美等發(fā)達國家已于1985年先后提出了結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計指南和規(guī)范草本。我國現(xiàn)行GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范也已正式納入了隔震技術(shù)。據(jù)了解,我國應(yīng)用基礎(chǔ)隔震技術(shù)建造的房屋設(shè)備已達數(shù)百萬平方米,涉及生命工程線、民用建筑、古建筑加固等。基礎(chǔ)隔震技術(shù)適用面很廣,既能應(yīng)用于低層或高層的建筑,也可用于已建建筑的抗震加固;既能用于重要房屋,也可用于一般房屋,尤其適用于量大面廣的中、低層磚混房屋和鋼筋混凝土房屋。基礎(chǔ)隔震技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

總之,基礎(chǔ)隔震技術(shù)在保證建筑物具有更高安全可靠度的同時,其直接和間接的經(jīng)濟效益、社會效益也是非常巨大的。通過工程試點,基礎(chǔ)隔震在地震中減輕建筑物地震反應(yīng)和損害的表現(xiàn)非常出色,此次汶川地震穿心店站的貨運樓便是最好的實踐證明。鐵路是國家的經(jīng)濟命脈,鐵路沿線的生產(chǎn)房屋內(nèi)安裝大量昂貴的精密設(shè)備,特別是“五所二室”房屋更是對鐵路的正常運行提供了非常重要的保障作用,為了減輕地震災(zāi)害給鐵路運輸帶來的損失,作為鐵路房屋的建設(shè)者和管理者,應(yīng)盡快將這種基礎(chǔ)隔震先進技術(shù)應(yīng)用于今后的新建建筑及已建房屋的加固工作中去。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 谷達偉.隔震施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(12):82-83.

[3] 陳龍珠,陳曉寶,黃 真.混凝土結(jié)構(gòu)防災(zāi)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:39-88.