利用廢舊輪胎的農居砌體結構房屋隔震系統

陳 文，熊 峰

(四川大學建筑與環境學院土木工程系，四川成都610065)

1 隔震系統簡述

2008年5月12日發生的汶川地震造成大量房屋破壞，其中多數為抗震性能較差的農村低層民居砌體結構，使生命財產遭受極大的損傷。由于地球進入第四個地震活躍期，從2008年的中國汶川地震到2011年的日本9級地震，如此大規模、高震級的地震在極短的時間內密集而快速的發生，使人們必須思考一種更有效的防震設計，將其應用在我國廣大農村的農居砌體結構房屋上，將抗震思路轉變為隔震思路，從基礎上采取措施隔斷地震波傳播，減少地震波對上部結構的影響，以提高農居砌體結構房屋的抗震能力和最大限度減輕地震造成的破壞，這是積極主動的抗震對策，是抗震對策的重大突破和發展[1]。

基礎隔震是指在建筑物或構筑物上部結構與基礎之間設置隔震層，以延長整個結構體系的自振周期、增大阻尼、減小上部結構水平地震作用，達到預期的防震要求[2]。目前采用的基礎隔震主要用于隔離水平地震作用，隔震層的水平剛度顯著低于上部結構的側向剛度，使高頻的地震能量無法傳到上部結構[3]。在發生地震時，水平隔震層發生水平位移，上部結構跟隨作近似平動，使上部結構的層間水平位移得以降低，從而讓結構構件在地震中的損壞得以減少[4]。基于上述優勢，隔震技術必將得到更大的發展，在其今后的應用研究中，以提高隔震效果、降低造價為目標，為人類的防震減災事業做出巨大的貢獻，讓更多的普通建筑擁有基礎隔震技術的保護，得以抵御自然災害的侵襲，保護人民生命財產的安全。

2 利用廢舊輪胎的農居砌體結構房屋隔震系統

常見的基礎隔震方法包括:彈性支承式隔震、滑動式隔震、擺動式隔震以及懸吊式隔震四大類。目前采用的彈性支承式隔震主要由疊層橡膠支座、螺旋彈簧支座等作為隔震器。上述的隔震系統一般具有高技術、高成本的特點，造價普遍較高，因此不宜廣泛應用在我國廣大農村地區的農居砌體結構房屋上。

本文提出一種適合我國農居砌體結構房屋的利用廢舊汽車輪胎制作的隔震系統，其隔震層構造如圖1所示。

圖1 廢舊輪胎隔震系統的構造

2.1 廢舊輪胎隔震系統的隔震原理

地震力對建筑物地震反應有重要影響的兩個主要因素:結構的基本周期和阻尼比。因為砌體結構的地震反應以第一振型為主，整個上部結構被視為一個剛體，所以水平剛度大，基本周期正好處在地震輸入能量最大的頻段上，因此加速度沿高度均勻分布，其反應比地面運動放大了很多倍。

采用廢舊輪胎隔震技術，利用廢舊輪胎加工而成的隔震消能裝置安裝在結構與地面之間形成柔性層，改變了結構的動力特性和動力作用，使結構物的基本周期大大延長，避開了地震輸入的卓越周期段，降低了結構在地震時的加速度反應，達到“以柔克剛”的效果。同時廢舊輪胎隔震墊也是阻尼元件，增大整個結構的阻尼，控制了上部結構與基礎之間的相對位移。也就是說，采用廢舊輪胎隔震技術的砌體結構房屋具有相對較長的基本周期，能以集中發生在底層的較大的相對位移為代價，來減小上部結構的加速度反應，保證建筑物安全。并且隔震層能將大部分地震能量或反饋回地面，或通過大變形來吸收，減少地震能量向上部結構的傳遞，使上部結構基本上保持在彈性工作范圍內，從而在提高結構的安全可靠性的同時，使上部結構的設計更加靈活自由[6]。

2.2 廢舊輪胎隔震系統

廢舊輪胎隔震系統是指設置在砌體結構地圈梁之下的由廢舊輪胎隔震墊作為隔震部件的一種新型的基礎隔震系統。這種新型的隔震技術和常見的橡膠支座隔震技術相比，除了具有與橡膠支座隔震技術相似的明顯降低地震反應、確保安全的特點外，還有低成本、制作簡單、安裝方便和環保等優點。

廢舊輪胎隔震墊(Scrap Tire Pad“STP”)是將廢舊輪胎的胎冠數層疊起構成輪胎墊，并將其每隔一定的距離鋪在地圈梁之下所形成的柔性隔震層，見圖2。汽車輪胎是用硫化橡膠和鋼絲網以不同的方式結合而生產的，其結構類似標準橡膠支座(RB)中的橡膠與薄鋼板(圖3)。將廢舊輪胎的胎側裁去并保留胎冠部分，一般小型汽車輪胎的寬度在185～245 mm之間，為統一尺寸保留中間的180 mm部分;然后用砂輪切割機將胎冠部分切割成180 mm長的胎冠塊，將其重疊，形成廢舊輪胎隔震墊。廢舊輪胎隔震墊的制作成本低、工序簡單，只需要切割廢胎，沒有橡膠硫化等復雜工藝，并且施工安裝方便，不需要特殊設備和技術。

圖2 廢舊輪胎隔震墊

圖3 RB和STP的構造

對于我國廣大農村地區的農居砌體結構，與常見的基礎隔震系統相比，廢舊輪胎隔震系統的應用有以下的優勢。

(1)利用廢汽車輪胎材料，造價低廉，符合我國國情;

(2)制作簡捷，只需要切割廢胎，沒有橡膠硫化等復雜工藝;

(3)施工安裝方便，不需特殊設備和技術;

(4)自重輕，剛度易調整;

(5)環保，變廢為寶，適應我國汽車迅速增加、廢胎增多的環境保護需要。

這一新型的隔震技術，直接用于低層砌體結構的隔震，適應我國國情、適應廣大農村和鄉鎮建筑以砌體結構為主的實際需要和經濟承受力，且變廢為寶，利于環保，有著重要的研究意義。

2.3 使用廢舊輪胎隔震系統的農居砌體結構房屋設計

在隔震建筑的設計中，應通過對上部結構的整體特性、結構布置和結構剛度的分布等合理設置，控制結構在地震發生時的反應性能，達到減小地震反應的目的。嚴格按要求設計，合理設計的隔震建筑一般均可達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設防目標[2];控制隔震支座的布置及結構的剛度，使其分布均勻并使結構的剛度中心與上部結構質量中心的偏移小一些;砌體結構選用的條形基礎剛性較好，能夠保證隔震層的穩定性和在地震中運動的一致性，適合于建造隔震建筑。

使用廢舊輪胎隔震系統的農居砌體結構房屋的設計與一般砌體房屋的基本設計流程是一樣的，分為基本設計和細部設計兩個階段。

(1)確定隔震層的位置。在設計隔震建筑時，確定隔震層的位置是個非常重要的問題。根據農居砌體結構房屋的低層和無地下室的特點，使用基礎隔震，將隔震層設置在上部結構和基礎之間。

(2)基本設計。基本設計是經與建設業主協商而確定的耐震性能目標、根據建筑物的用途以及將來目標承受最大的地震力等而設定的基本指標。根據建筑物的用途，有時也會依據建筑物震動最大加速度的值為指標進行設定，然后再對隔震構造的基本性能進行概念設計。將建筑物的重量和場地類型作為已知條件，根據力學試驗所得到隔震層的一些基本特性值(如:最大豎向承載力、水平剛度、剪切模量、最大水平剪切力和阻尼比等)，以及根據假定水平位移而設定的凈距值等，作為設定的設計相關指數。

隔震層的具體做法是:在建筑物的室內地坪(即±0.00 m)處設置一層現澆鋼筋混凝土樓板及托梁，在托梁與基礎之間通過廢舊輪胎隔震墊連接，同時上部結構的散水及伸出室外的臺階也應與地基土留有縫隙，以保證上部結構與地基土脫離。因隔震層在地震時有可能在任何方向上產生比較大的水平位移，因此在隔震層的設計中，擋土護壁和廢舊輪胎隔震墊之間必須要預留一定的距離，一般水平凈距的設置為地震最大變形量的1.5～2.0倍，通常采用50～70 cm(見圖1)。

對廢舊輪胎隔震墊進行了一系列的力學試驗，得到了廢舊輪胎隔震墊的一系列的力學性能指標。由于廢舊輪胎隔震墊只有在一定的豎向應力作用下，才會表現出良好的隔震效果，從力學試驗中可以得到，廢舊輪胎隔震墊能正常工作的豎向應力值為5 MPa，而當在砌體結構的地圈梁下滿鋪隔震墊時，每一個隔震墊的豎向應力值是很小的，不能滿足豎向應力值的要求，所以廢舊輪胎隔震墊的數量和布置間距是由正常工作的豎向應力值和上部砌體結構的總荷載決定的，可以由這兩個決定因素并通過砌體結構的荷載清理而得到適合于不同砌體結構的布置間距。筆者利用這種方法計算出低層砌體結構的廢舊輪胎隔震墊的布置間距:單層、二層、三層和四層砌體結構的布置間距分別為6 m、2.7 m、1.5 m和1.2 m。

(3)細部設計。細部設計包括:廢舊輪胎隔震墊的設計;地震荷載的設定以及地震應力解析;規劃和配置STP以保證隔震層不發生扭轉振動和不受上部結構偏心的影響。為了能確保有效衰減隔震層的扭轉彎矩和扭轉震動，最好在建筑物的外圍適當增加STP的數量。用于地震應力分析的輸入地震荷載，除了標準地震波以外，還應根據地勘報告所記錄的地質數據和地基特點而制定出合理的模擬地震波來進行地震應力分析。同時還應該考慮與非隔震部分的結合部位設計，在設備配管和電氣布線等諸多細部做法上需要認真規劃和設計。

3 利用廢舊輪胎的農居砌體結構隔震系統經濟分析

在農居砌體結構上使用這一隔震系統后，在初期建設費用方面，與普通的建筑相比，隔震建筑增加了隔震結構的設計費用、包括附加挖方量、室內地坪處托梁和樓板的費用，但因隔震效果的原因，上部結構的建造成本也下降了。值得一提的是，因為廢舊輪胎隔震墊是用廢舊的汽車輪胎經過簡單的加工而成，所以其成本是很低的。一般情況下，二、三層的農居砌體結構的初期建設費用沒有明顯的增加。

在建筑物的使用期限費用方面，包含維持管理費用以及地震預測災害損失等。地震預測災害損失是指當地震發生時，不單純為建筑物自身結構、裝修、設備、家具等的損害，也包括因維修等停止使用時所帶來的損失的量化，再根據地震概率而計算出來的。

一般來說，隔震結構在初期建設費用上會比普通結構要高一些，但是其地震預測災害損失卻比較少，而建筑物的使用年限越長，其差距會越來越大。因此，在我國廣大的農村地區，這一隔震系統的應用與推廣對我國農居房屋的防災減災有重大的影響。

4 結束語

在我國，由于受經濟條件的制約，特別是在農村地區，砌體結構形式在相當長的一段時間內還將普遍應用。砌體結構是脆性結構，剛度大、強度低、延性差，抗震能力差。采用這種利用廢舊輪胎的農居砌體結構房屋隔震系統，使建筑物的隔震周期有效地避開了建筑物的基本自震周期及場地的卓越周期，大大減少了上部結構的地震作用，既可保障建筑物的安全耐久，又不過多增加造價，還將視為廢品的舊輪胎再利用，有利于環境保護;在經濟發達的資本主義國家，采用隔震技術的目的主要是為了要提高建筑物和內部設備的可靠度。因而無論是從經濟角度還是從安全適用的角度，這一系統在農居砌體結構房屋上的應用應該會受到各方的重視和歡迎，將會有著良好的發展前景。

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