基礎隔震技術綜述

(廣州大學土木工程學院　廣東　廣州　510000)

引言

地球活動的重要標志之一就是地震。人類生活在地球表面，地面上的所有人建造建筑物在地震發生時都不可避免地要遭受地震的沖擊。有些大地震可能會給人類帶來災難性的后果。我國位于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，在全球大陸地區的大地震中，約有四分之一至三分之一發生在我國。自1900年至今，我國6至6.9級地震545余次，7至7.9級地震111次，8級以上地震12次。2017年，四川九寨溝發生震級為7.0級地震。造成25人死亡，176492人受災，73671間房屋不同程度受損。2013年，四川省雅安市蘆山發生震級為7.0級地震。造成196人死亡，11470人受傷，直接經濟損失高達500億，并且隨之又引發了大量的滑坡等次生災害。2010年，青海玉樹發生震級為7.1級地震，造成2698人遇難。2008年，四川汶川發生震級為8級地震。遇難69225人，受傷374640人，失蹤17923人。直接經濟損失達8451億元。1976年，河北唐山發生震級為7.8級地震。造成24萬余人死亡，16萬人受傷。1975年，遼寧海城發生震級為7.3級地震。傷亡人員總數為29579人，其中死亡2041人。地震造成城鎮房屋倒塌及破壞約500萬m2，公共設施損壞165萬m2，農村房屋毀壞1740萬m2，各種設備、物資也遭到嚴重損壞，總計約8.1億元[3]。1966年，河北邢臺發生震群型地震。共損壞房屋508萬間，其中262余萬間嚴重破壞或倒塌。位于震中地區房屋幾乎全部倒塌，村鎮街道變成一片廢墟。地震中共有8064人喪生、38451人受傷。

一、減輕地震災害的基本對策

全球的地震時常發生，而生活在地震高發地帶的人們更是遭受著不同大小和不同發生頻率地震的威脅。世界每年因地震而造成的生命、經濟、環境等的損失破壞更是難以估量。目前，人類減輕地震災害常見的基本對策有：(1)地震預報，目前達到的水平是“偶有成功，錯漏甚多”雖然取得了可喜的成果，但仍不能預報所有地震。(2)地震工程通過工程技術提高城市綜合抗御地震的能力和提高各類建筑的耐震性能。目前達到的水平是“屢見成功，偶有失利”[1]。

二、工程結構減震控制

地震的發生導致大量損失的起因是由于建筑物的倒塌造成，因此，如何使建筑物經受住地震的考驗，是一個重大但又很現實的問題。多年來，隨著科學技術的發展，抗震設計技術也逐步提升和完善，然而傳統的結構設計多采用“硬抗”的方法，即采用加強結構，加粗構件配筋，提高結構剛度等方法來抵抗地震。這種方法使用了大量的材料，增加了結構的剛度，結構剛度越大，地震作用越大，惡性循環，導致的結果是既不經濟，在大震下也不一定安全。然而，與“硬抗”相對應的減震控制技術則彌補了這一不足。減震控制技術主要采用三種方法：隔震、消能還有調整結構動力特性，通過這些技術來隔離地震或者一定程度上減弱地震反應，以此達到更安全、經濟和有效減弱地震作用的效果[8]。隔震技術作為正不斷完善且具有代表性的抗震技術之一，在國內外被廣泛地應用，并在眾多地震中經受住了考驗，得到科研人員的認可[2]。

三、隔震技術的發展

近幾十年來，越來越多的地震被記錄累積下來，結構的設計方法也從靜力法發展到反應譜法再到時程分析法，從線彈性到彈塑性分析，理論日漸成熟。而振動臺等試驗設備的研究開發以及疊層橡膠支座的研制成功，得以讓基礎隔震技術理論得到了更加可靠的實驗支撐，也為此技術的推廣和示范應用打下基礎。

與抗震結構相比，雖然隔震結構出現的時期較晚，但其構想在19世紀末就已經基本形成了。基礎隔震概念最早是由日本學者河合浩藏于1881年12月在日本“建筑雜志”中提出。1909年，世界上第一個隔震結構的專利由英國醫生J.A.Calantarientszai在美國提出。1924，鬼頭健三郎提出了圓球形式的隔震結構，等等。

世界上首次在隔震結構中使用橡膠支座國家是南斯拉夫。1981年，新西蘭開發出內部包含鉛芯的疊層橡膠支座。由于這種支座具有支撐固定荷載及消費地震能量的雙重作用，并且施工簡單，設置方便，在世界各國得到了普遍的應用[3]。我國于1993年在汕頭市由周福霖教授主持完成了第1棟橡膠隔震支座房屋(8層框架)，并于1994年9月16日臺灣海峽地震中經受考驗，被譽為世界隔震史上的第3個里程碑[10]。

值得關注的是，近年來隔震技術發展應用很快，中國已建成近3800幢隔震建筑，150座隔震橋梁；日本已建成近4500幢隔震建筑，1800座隔震橋梁；美國已建成近180幢隔震建筑，110座隔震橋梁。云南省昆明機場航站樓、廣州科技中心等大型公共建筑已采用了隔震技術；31層建筑高度90.35m的國內最高隔震高層建筑已通過抗震專項審查；核電站設施已采用隔震技術；實用經濟的隔震技術已在中國農村民居中推廣應用。

四、基礎隔震原理及特點

基礎隔震是指將隔震層設置在建筑的上部結構和下面的基礎之間，通過使用隔震層來延長結構體系的自振周期與增大阻尼，使得輸入上部主體結構的地震作用削弱，從而達到減震的效果[11]。

傳統的抗震結構是通過加大構件的截面和強度來抗住地震產生的變形和內力效應，但這就使得結構的剛度和自重加大而吸收了更多的地震能量，從而制約了抗震結構在高烈度區和復雜結構形式中的應用。而基礎隔震結構，由于其水平剛度相比上部結構較低，從而降低結構的自振頻率，延長整個體系的自振周期，讓反應偏離了大多數地震的地面運動能量最集中的周期區間，使得結構在地震作用下的加速度反應得以減小。與此同時，隔震結構增大的阻尼，而阻尼提供了一定的耗能能力，有效地遏制了結構在地震作用下的反應。通過增大周期和阻尼以減小結構地震響應的原理，使得地震作用在結構上的破壞性荷載和變形得以減小，隔震層使上部結構和基礎分隔開來，耗散掉大部分能量，使得上部主體結構相比沒做隔震時，在地震作用下僅是稍微的平動，讓結構構件及結構附屬物得以更好的保護，達到減震目的。

不采用基礎隔震的傳統抗震結構因其基礎與上部主體連成一體，這使得在地震作用下，結構的層間位移隨由下而上逐層增大，使得邊柱、角柱和柱頂較易破壞。而當采用了基礎隔震結構，同樣在地震作用下，隔震層發生較大的水平向位移，而上部結構僅發生較小的層間位移，由下到上并無較大區別，近似平動，而上部結構的加速度也僅僅相當于不做隔震結構的1/3～1/5。

五、結語

相比傳統的抗震建筑，基礎隔震結構有如下的優點：(1)對建筑結構設計的限制減小，使用空間增大；(2)減小了地震時帶來的不適感，提升了居住性；(3)非結構構件基本不會損壞；(4)增強了振動時建筑的整體安全性；(5)防止了建筑內部物體的移動、翻到引發的次生傷害和經濟損失；(6)保證了地震時水電等設備的使用功能；(7)震后檢測修復簡便；(8)適用范圍廣，尤其適用于抗震性能高或生命線工程等；(9)對于高烈度區可節省3%～20%的房屋造價。隔震建筑在地震中顯著的減震效果及相關規程、標準的推出，隔震技術的應用將越來越廣泛。

【參考文獻】

[1]周福霖.工程結構減震控制[M].地震出版社,1997.

[2]武田壽一.建筑物隔震防振與控振[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[3]傅金華.日本抗震結構及隔震結構的設計方法[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.