隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展與應(yīng)用

楊淑紅

(呼倫貝爾學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008)

0 引言

由于地震的不確定性和復(fù)雜性，全世界每年大約18次的強(qiáng)震地震災(zāi)害，往往造成大量人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。

隔震技術(shù)屬于抗震設(shè)計(jì)中的主動(dòng)控制技術(shù)，通過設(shè)置隔震層“消弱上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、底部或下部結(jié)構(gòu)的連接”“隔離輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量”“增大結(jié)構(gòu)阻尼、延長結(jié)構(gòu)自振周期”。大量工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)表明，隔震一般可直接減少輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)可降低60%(降至非隔震設(shè)計(jì)時(shí)的40%左右)，從而有效地消除、減輕結(jié)構(gòu)(非結(jié)構(gòu))構(gòu)件的地震損壞，提高建筑物及內(nèi)部人員設(shè)施的地震安全性，對特殊建筑(如醫(yī)院、供水供電生命線工程、核電站等)還可實(shí)現(xiàn)地震(尤其是強(qiáng)烈地震)時(shí)迅速恢復(fù)及不中斷使用功能的要求。

“隔震設(shè)計(jì)”作為設(shè)計(jì)理念在GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中以強(qiáng)制性條文被明確提出，同時(shí)制定的還有JG 118-2000建筑隔震橡膠支座、CECS 126∶2001疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程、103SG610-1建筑結(jié)構(gòu)隔震構(gòu)造詳圖等。經(jīng)過10多年的應(yīng)用以及完善，在新GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡稱規(guī)范)中明確指出:建筑結(jié)構(gòu)采用隔震與消能減震設(shè)計(jì)是一種有效減輕地震災(zāi)害的技術(shù)［1］。隔震與消能減震設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍被進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大。

1 隔震的概念、原理

1．1 隔震的概念

在房屋基礎(chǔ)、底部或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置(如由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成的具有復(fù)位功能的)隔震層，以延長整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振周期，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，達(dá)到預(yù)期防震要求［1］。

1．2 隔震的原理

一般來說建筑物的地震反應(yīng)取決于自振周期和阻尼特性兩個(gè)因素。如圖1所示為一般低層以及多層建筑的加速度與位移反應(yīng)譜［2］。

圖1 結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜曲線

可見通過在房屋結(jié)構(gòu)的底部(可在基礎(chǔ)、地下室頂板、下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間如裙房頂?shù)?設(shè)置隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，降低建筑物加速度，延長上部結(jié)構(gòu)的基本周期，避開地震地面運(yùn)動(dòng)的主頻帶范圍，減免共振效應(yīng);同時(shí)適當(dāng)增加的結(jié)構(gòu)阻尼使結(jié)構(gòu)的位移基本集中于隔震層，地震時(shí)建筑物上部結(jié)構(gòu)類似于剛體平動(dòng)，以第一振型為主;隔震層相對位移較大而結(jié)構(gòu)本身位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)。

2 隔震系統(tǒng)的類型

隔震系統(tǒng)是由隔震器、阻尼器和復(fù)位(風(fēng)反應(yīng)控制與地基微震動(dòng))裝置等組成。阻尼器可單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可與隔震器合為隔震支座一種元件以方便使用，必要時(shí)尚需設(shè)置防風(fēng)鎖定裝置。

隔震系統(tǒng)常用的有摩擦滑移加阻尼器隔震系統(tǒng)、疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)、摩擦滑移擺隔震系統(tǒng)、組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)等，目前比較成熟的是疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)。

國內(nèi)外常見的疊層橡膠支座有:標(biāo)準(zhǔn)疊層橡膠支座(MRB)，鉛芯疊層橡膠支座(LRB)，高阻尼疊層橡膠支座(HD-MRB)，內(nèi)包阻尼體疊層橡膠支座(DRB)。鉛芯疊層橡膠支座在我國使用最多，標(biāo)準(zhǔn)疊層橡膠支座的使用稍少。

3 隔震設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)的要求

1)隔震層應(yīng)提供必要的側(cè)向剛度、阻尼及足夠的豎向承載力。

2)非地震作用的其他水平荷載(如風(fēng)荷載)標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。

3)工程經(jīng)驗(yàn)表明:地震波的中、高頻分量易被軟弱場地濾掉，若在其上建造隔震房屋，延長的結(jié)構(gòu)周期將增大而不是減小其地震反應(yīng)。因此《規(guī)范》要求隔震結(jié)構(gòu)建筑場地宜為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類等硬土場地，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型。當(dāng)在Ⅳ類場地建造隔震房屋時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專門研究和專項(xiàng)審查。

4)根據(jù)橡膠隔震支座抗拉屈服強(qiáng)度低的特點(diǎn)，《規(guī)范》要求隔震結(jié)構(gòu)最大高度應(yīng)滿足規(guī)范非隔震結(jié)構(gòu)的要求，變形特征接近剪切變形，高寬比宜小于4，且不應(yīng)大于相關(guān)規(guī)范規(guī)程對非隔震結(jié)構(gòu)的具體規(guī)定。采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對高寬比大于4或非隔震結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門研究。

5)2008年汶川地震中，位于7，8度區(qū)的隔震建筑，上部結(jié)構(gòu)完好，但隔震層的管線受損。為適應(yīng)隔震層的罕遇地震水平位移，穿過隔震層的設(shè)備配線、配管應(yīng)采用柔性連接等有效措施，同時(shí)采取防火措施。

4 隔震方案的選擇

目前隔震設(shè)計(jì)已屬于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的成熟技術(shù)，應(yīng)能適合工程的具體情況，在符合《規(guī)范》3．5．1條規(guī)定的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、使用功能確定建筑、結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)方案。并進(jìn)行技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠等方面論證，且應(yīng)與采用抗震設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行對比分析。進(jìn)行方案分析比選時(shí)，結(jié)果應(yīng)顯示出隔震設(shè)計(jì)方案比抗震設(shè)計(jì)方案在提高結(jié)構(gòu)抗震能力上的優(yōu)勢。

5 我國隔震技術(shù)的典型應(yīng)用

我國學(xué)者李立早在20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行基礎(chǔ)隔震理論的探索，80年代中后期，90年代我國展開以周福霖院士為首的橡膠隔震技術(shù)全方位(隔震制作研究、性能檢測、結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、分析設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)等)的研究。

實(shí)例一:1989年，周福霖主持承擔(dān)了由聯(lián)合國和中國自然科學(xué)基金資助的隔震科研項(xiàng)目，經(jīng)過近4年的試驗(yàn)研究和奔走協(xié)調(diào)，于1993年在汕頭市主持設(shè)計(jì)建成了我國首棟采用夾層橡膠墊的多層隔震住宅——汕頭市陵海路八層框架結(jié)構(gòu)商住樓(1992年3月動(dòng)工，1993年9月完工)，它是當(dāng)年世界上最高最大的隔震住宅樓。汕頭市陵海路隔震樓適當(dāng)改變上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(抗震烈度降低1度)，補(bǔ)償了隔震基礎(chǔ)所增加的費(fèi)用(比常規(guī)抗震房屋節(jié)省了7%)，使房屋既安全又經(jīng)濟(jì)，開創(chuàng)了這一領(lǐng)域的先河。

1994年，在汕頭召開了有18個(gè)國家、120名專家參加的國際會議，對該項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場示范介紹。聯(lián)合國的代表對此項(xiàng)目給予很高的評價(jià):“汕頭多層隔震房屋是把隔震技術(shù)用于量大面廣的住宅房屋的最成功范例，它是世界隔震技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)里程碑。”

實(shí)例二:由周福霖主持的北京通惠家園小區(qū)是國內(nèi)平臺面積最大且是首個(gè)位于地鐵上蓋的隔震樓群。北京地鐵地面樞紐站平臺上的通惠家園小區(qū)隔震樓群的經(jīng)濟(jì)效益如下:

1)經(jīng)廣州大學(xué)工程抗震研究中心模擬振動(dòng)試驗(yàn)，房屋從6層增加到9層，住宅面積增加近10萬m2，凈增產(chǎn)值達(dá)2．4億元。

2)平臺的地震反應(yīng)降為2/3，解決了已建平臺抗震性能不足的設(shè)計(jì)“瓶頸”。

3)抗震安全度提高近4倍。

實(shí)例三:布谷孜大橋，是我國第一座9-32 m采用鉛芯橡膠支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)的后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。該橋處于近年地震活動(dòng)頻繁的高烈度9度地震區(qū)，在2003年2月新疆巴楚—伽師6．8級地震中，震區(qū)的其他鐵路橋均發(fā)生不同程度破壞造成交通中斷，唯有距震源只有40 km的布谷孜大橋屹立不倒及時(shí)向?yàn)?zāi)區(qū)輸送了救援物資。實(shí)踐證明，合理的隔震設(shè)計(jì)保證了該橋在強(qiáng)震作用下的安全性，在震后救援和重建工作中起到重要作用。

實(shí)例四:西安330 kV西北郊變電站中的110 kV配電樓是隔震技術(shù)首次應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，它降低了上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度(8度降為7度)，改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低了CIS設(shè)備層的地震加速度反應(yīng)，提高了該層設(shè)備在地震作用時(shí)運(yùn)動(dòng)安全性。實(shí)踐證明取得了良好的效果。

6 隔震設(shè)計(jì)應(yīng)注意有待解決的問題

1)對高寬比大、不符合《規(guī)范》要求的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行整體抗傾覆驗(yàn)算，防止支座壓屈并控制支座拉應(yīng)力不超過1 MPa。驗(yàn)算隔震支座拉、壓力時(shí)，應(yīng)按罕遇地震作用計(jì)算并留有適當(dāng)余地。

2)地震波在軟弱(夾層)場地的傳播特性尚不明確，軟弱場地、場地有軟弱夾層、下部結(jié)構(gòu)變形過大的情況下應(yīng)慎用隔震技術(shù)。

3)計(jì)算隔震上部結(jié)構(gòu)水平地震作用時(shí)，隔震系統(tǒng)力學(xué)性能與水平向減震系數(shù)兩者之間變化規(guī)律有待深入研究。

4)目前的隔震系統(tǒng)對豎向地震作用無隔離效果，隔震裝置在豎向地震作用下的反應(yīng)還有待進(jìn)一步探討。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］王社良．抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．第4版．武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2011:221-231．

［3］朱炳寅．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012:504-508．

［4］日本建筑學(xué)會．隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．劉文光，譯．北京:地震出版社，2006．