論建筑隔震技術

摘 要：介紹了隔震建筑的發展及應用，并著重論述了疊層橡膠墊基礎隔震技術，分析了低層建筑與高層建筑在隔震處理上的一些不同點，最后通過經濟效益的論證，證明了隔震建筑的廣泛應用前景

關鍵詞：隔震 橡膠支座 經濟

The seismic isolation technology for buildings

Abstract: This thesis introduces the development and application of the seismic isolation buildings with a focus on the technology of laminated rubber. And it analyzes the difference between the low-rise buildings and the high-rise buildings on the seismic isolation treatment . With the demonstration of the economy we finally come to a conclusion that the seismic isolation buildings have a bright future.

Keywords: seismic isolation;laminated rubber; economy

一、引言

地震是我們在建造建筑物時永遠不可避免的一個重要考慮因素，我國處于世界上兩大火山地震帶——環太平洋火山地震帶和歐亞火山地震帶之間，受太平洋板塊印度洋板塊以及歐亞板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。20世紀以來發生6級以上地震近800多次，遍布除貴州、浙江兩省和香港特別行政區以外的所有省市自治區直轄市。地震活動頻率高、震源淺、強度大、分布廣，是一個震害非常嚴重的國家。1900年有記錄以來，我國死于地震的人數達到55萬之多，占同期世界死于地震總人口的53％，地震成災面積達到30多萬平方公里，房屋倒塌近700萬間。尤其是近期發生的汶川大地震使舉國震驚，我們清楚地見識到了地震的威力，大片房屋倒塌，大量的人員傷亡使我們迫切地意識到發展新型抵抗地震災害的新方法和新技術的重要性。

傳統的抗震方法，主要是針對建筑物的結構，通過合理的設計，保證建筑物在規定的烈度范圍內不發生破壞，這是一種剛性抗震結構，其地震反應是放大晃動型，容易發生脆性破壞。而隔震技術是將過去的硬抗技術改為軟抗,是在建筑物底部和基礎頂部之間安放適當的緩沖物，使建筑物在受到地震波作用后的加速度反應大大減弱，同時讓建筑物的位移主要由隔震系統承擔，從而使建筑物在地震中產生的變形非常小，以達到防護目的。一般來說，基礎隔震結構的地震反應只是抗震結構的1／4～1／12，大大提高了結構的安全度。通過這種以柔克剛的方法可以使建筑物在地震中受到較小的傷害。

二、隔震技術的發展經過了早期的萌芽階段與現代的發展階段

（一）基礎隔震技術的早期階段

基礎隔震概念最早是由日本學者合浩藏于1881年提出的，認為先在地基上縱橫交錯放置幾層圓木，圓木上做混凝土基礎，再在混凝土基礎上蓋房，以削弱地震傳遞的能量。

1909年，美國的J.A.卡蘭特倫茨提出了另外一種隔震方案，即在基礎與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母，這樣地震時建筑物會發生滑動，以達到隔離地震的目的；

1921年，美國工程師F．L．萊特在設計日本東京帝國飯店時，有意用密集的短樁穿過表層硬土，直接插到軟泥土層底部，利用軟泥土層作為隔震層。1923年關東大地震發生，附近同類建筑毀壞嚴重，但這個建筑卻保持完好；

1924年，日本的鬼頭健三郎提出了在建筑物的柱腳與基礎之間插入軸承的隔震方案。1927年，日本的中村太郎論述了加裝阻尼器吸能裝置，在隔震理論方面進行了有益的探索。

在這一階段，雖然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理論基礎，但限于當時的水平與條件，基礎隔震技術的應用未被很好地研究與開發。

（二）基礎隔震的現代階段

隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結構工程的進一步考驗，特別是近二三十年來，由于采用大量的強震記錄儀對地震進行觀測，使人們較快地積累了有關隔震及非隔震結構工作性能的定量化經驗，從而對早期提出的一些隔震方法進行了淘汰與升華。其中疊層橡膠墊基礎隔震體系被認為是隔震技術邁向實用化最卓有成效的體系。

1984年新西蘭建造了世界上第一幢以鉛芯疊層橡膠墊作為隔震元件的4層建筑物；1985年美國建成第一座4層的疊層橡膠墊隔震大樓加州?圣丁司法事務中心；1986年日本又建成一幢5層高技術中心樓，采用鉛芯橡膠墊。目前，世界上大約有30多個國家在開展這方面的研究，這項技術已被應用在橋梁、建筑，甚至是核設施上。截止目前，世界上大約已建成了3100多幢基礎隔震建筑。

常見的隔震技術有疊層橡膠支座技術、砂墊層隔震技術、石墨墊層隔震、摩擦滑移支座隔震及橡膠隔震支座與摩擦滑移支座聯合隔震。這其中發展較為迅速的是疊層橡膠墊支座隔震技術。

隔震橡膠支座是由一層鋼板一層橡膠層層疊合而成，并經過加工使其緊密地連接在一起的。首先，隔震支座有高的豎向承載能力和較小壓縮的變形，可以保證建筑物的安全；此外疊層橡膠墊支座還有很大的水平方向的變形能力，在地震作用下可以隔離水平方向上的地震分量；第三隔震橡膠支座具有彈性復原特性，地震后可以使建筑物自動恢復原位。采用隔震橡膠墊支座的建筑物，設防目標一般可以增加一個等級，傳統抗震建筑的設防目標是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，而設計合理的基礎隔震建筑可以做到“小震不壞，中震不壞或輕度破壞，大震不失去功能”

目前，我國疊層橡膠墊基礎隔震體系發展迅速，已經用在各種類型的建筑中，但是高層建筑與低多層建筑相比還有其一些本身的特點。首先，高層隔震建筑的上層結構不能滿足剛體假定，高陣型反應分量的影響不可以忽視，不能以結構第一陣型為主確定上部結構反應；二是由于高層超高層建筑的水平地震力產生的傾覆力矩較大，在較大強風和地震力的作用下隔震支座中可能會有拉應力產生如何避免隔震支座中拉應力的產生成為一個重大問題，第三是高層超高層建筑的自振周期都比較長，所以必須進一步延長高層和超高層建筑的基本周期，已達到更好的效果，低彈性、大變形支座的開發在強震和強風地區有很好的研究前景。

三、隔震技術在低層和多層建筑中的應用

對于低層和多層建筑，由于其主要是磚砌體結構體系，由于磚砌體的材料脆性性質，其整體性極差，以及砌筑質量的高離散型，其抗震性能較差，歷次震害統計中表明，砌體結構受到的地震破壞最為嚴重，目前，在設計使用中，多層樓房局部躍層、錯層越來越多，沿街大多出現底框建筑，抗震性能極差，居民裝修使結構的損害較大，在地震來臨時其抗震性能令人擔憂。從下表中我們可以看到隔震技術主要應用于低層和多層建筑中。

序號 地點 層數 結構類型 建成時間 高度

1 汕頭 8 R.C框架 1993 27

2 西昌 6 砌體混合 1994 17

3 澄海 8 R.C框架 1995 26

4 廣州 7 R.C框架 1997 21

5 太原 9 R.C框架 1997 29

6 太原 20 R.C框架 1997 64

7 杭州 7 底框 1997 22

隔震在我國部分地區住宅中的應用

近20年來，基礎隔震技術在工程中得到廣泛的應用。據不完全統計，到2003年僅日本就已經建成1300多棟隔震建筑，我國到現在也建設了300多棟隔震建筑，與傳統抗震建筑相比，采用隔震技術的建筑物的安全性和減震效果在幾次地震中得到檢驗隔震建筑的最大水平加速度僅為傳統抗震結構的1/3～1/5。

從技術方面來講，隔震技術的研究在抗震技術的發展過程中發展較早，目前，已經相當成熟，包括中國在內的世界上許多國家都已經制訂了隔震建筑設計的規范和相關標準。但是，從工程普及角度講還遠遠不夠。

首先是經濟方面的考慮，在工程抗震界，以往的研究大多集中于抗震理論和設計方法的研究，而對具體的經濟指標的評價做的不夠，這樣往往導致研究與實際工程脫節，使得大部分的人認為采用隔震體系會導致建筑物的工程造價大大提高，其實正好相反，采用隔震技術建造的房屋從長遠角度講會使建筑物的成本下降。

同非隔震建筑相比，基礎隔震建筑在技術經濟方面有了一些變化。

第一，在結構造價方面，增加的部分有隔震部分的設計費用；隔震構件的費用；隔震層上增加一層樓面的費用；隔震層引起的工程量的增加費用。但是由于利用了隔震技術使得基礎費用降低，由于隔震技術使得上部結構的抗震設防目標增加了一個等級，使得墻體變薄，結構構件使用上也變少，帶來了一定的費用降低。

第二，由于現在主要使用的是疊層橡膠墊基礎隔震技術，而橡膠是一種極易老化的材料，一般的使用壽命最多達到60年，所以使用基礎隔震技術相應的增加了維護和拆除的費用。

第三，由于隔震技術使得上部結構墻體變薄，相應的帶來的效果就是使用面積的增大。

第四，采用隔震技術一般可以使建筑物的高度增加一層，這樣就可以帶來很可觀的經濟效益。

第五，我們分析建筑的經濟效益時不僅僅要分析表面上看得著的經濟問題，還要研究其隱含的經濟問題。隔震技術能夠降低房屋的地震作用，使房屋在地震中不易破壞。同時也能減少地震所引起的火災等次生災害，城市癱瘓、社會長期不安等，尤其是人員傷亡（據統計，在地震中所導致的人員傷亡90℅都是由于房屋倒塌造成的），而隔震技術能很好地減少這些次生災害。

再次，是基礎隔震技術對技術要求相當的嚴格，就拿疊層橡膠墊基礎隔震支座來說：（一）疊層橡膠墊基礎隔震體系的動力特性不僅隨著結構體系的不同而變化，而且與安放位置的不同也發生變化，因此，在設計時不但要進行相應的概念設計，而且要從多個角度進行動力分析，合理、準確地把握動力響應才能保證做出準確安全的設計。（二）在隔震結構中要真正做到基礎與上部結構隔離，還需要進行一些關鍵部位的構造處理。如低層樓梯與主體結構的隔離處理；上下水、煤氣、供暖及配電管道穿越隔震層時的柔化處理。有一方面處理不當，都會使結構在地震中遭到巨大的損失。（三）除此之外，疊層橡膠墊基礎隔震層對施工的要求是比較嚴格的，隔震層的位移不能受任何原因的干擾和約束，施工時不能損傷隔震器及其附件，并要求隔震器的安裝要有較高的水平度以保證在受到地震作用時能夠完成復位。

四、結論

綜合分析可以知道，基礎隔震建筑大大降低地震災害，由于上部地震作用減少，結構跨度、進深可增大，結構構件減小使得房屋的使用面積增大，雖然房屋的建設費用增加了一些，但與所帶來的經濟效益相比，較少的增加了結構造價，較大地增加了經濟效益。綜合經濟和社會效益，尤其是在降低社會損失方面，其效果更加明顯。有專家從廣州、太原、西昌等地隔震技術建造的房屋進行經濟評估后得知，隔震房屋比傳統抗震房屋節省土建造價為：7度減少1%～3%，8度減少5%～15%，9度減少10%～20%。特別是在高烈度區，采用隔震技術可以比采用原來的隔震技術在原有基礎上多建造1到2層，土地更加節約，帶來了更好的經濟效益。

隔震建筑與傳統的抗震建筑相比，不論是在減小地震災害還是在經濟方面都有其較大的優勢，故隔震建筑是未來建筑控震的發展趨勢，隨著技術的發展，現在存在于隔震建筑中的一些難點如疊層橡膠墊基礎隔震技術在高層建筑中遇到的如拉應力的處理，以及高壽命橡膠的研究都是現在研究的熱點。

參考文獻：

[1]張樹忠,董福琳.建筑結構設計中減少地震力影響的措施[J].低溫建筑技術.2009,6.

[2]葛鵬.我國住宅中隔震技術的應用[J].特種結構.2005,4.

[3]高峰.隔震：建筑工程抗震新技術[J].生命與災害.2009,5.

[4]谷達偉.隔震施工技術在工程中的應用[J].山西建筑.2008,34（12）.

[5]呂百齡,李和平.隔震橡膠支座的特性和應用[J].減震橡膠.第25卷第4期

[6]衛彩霞,吳會平,吉柏峰.基礎隔震建筑的全壽命經濟評價的研究[J].特種結構.2009, 3.

[7]魯紅濤.基礎滑移隔震技術在多層建筑中的應用[J].陜西建筑。2004,4.

[8]王東衛,張燕,李永剛.建筑隔震橡膠支座的原理及工藝研究[J].減震橡膠。第25卷第3期

[9]丁運芳.建筑基礎隔震加固技術分析[J].四川建材.2009,148.

[10]劉永勝,魏雪梅.磚混結構隔震橡膠墊施工技術[J].山西建筑。2007, 13.

作者簡介：

包立新（1967-），男，蒙古族，1990年畢業于呼倫貝爾城建中專工民建專業，2006年畢業于沈陽建筑大學土木工程專業， 呼倫貝爾市建筑工程質量監督站工程師。研究方向： 工程質量監督。