新疆維吾爾自治區(qū)隔震技術(shù)研究和實(shí)踐進(jìn)程

1 引言

本文是課題 “新疆中小學(xué)校及幼兒園隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試（XJEDU2017M033）”的階段性成果，歸納總結(jié)了隔震技術(shù)在新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡(jiǎn)稱新疆）的公共建筑，尤其是學(xué)校建筑中的應(yīng)用情況。 新疆隔震技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展有3個(gè)特點(diǎn)。 首先，新疆是“一帶一路”的核心區(qū)，發(fā)達(dá)省市在經(jīng)濟(jì)援助的同時(shí)也帶來(lái)了新技術(shù)、新工藝；其次，新疆大部分縣市屬于抗震設(shè)防烈度8 度及以上的高烈度區(qū)域， 抗震設(shè)防要求比較高；最后，新疆人口基數(shù)不大但增長(zhǎng)快、公共設(shè)施較為落后，對(duì)新建、改建公共建筑具有較為急切需求。

本文首先講述隔震技術(shù)的基本原理， 然后分析隔震技術(shù)在新疆的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)， 指出此項(xiàng)技術(shù)在新疆具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

2 隔震技術(shù)

2.1 隔震基本原理

隔震技術(shù)主要通過(guò)設(shè)置隔震層來(lái)實(shí)現(xiàn)， 根據(jù)隔震層位置不同，可以分為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和層間隔震結(jié)構(gòu)。 當(dāng)建筑物面臨地震時(shí)，可以有“抗”和“柔”兩種選擇，其實(shí)質(zhì)是采取何種途徑控制地震輸入建筑的能量以及將其消耗掉。 地震輸入的能量大小和地震波特性、場(chǎng)地及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有關(guān)，因此，應(yīng)控制建筑輸入的地震能的總量及頻譜特性。 建筑結(jié)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入能量的耗散， 同時(shí)在耗散結(jié)束后能保證特定指標(biāo)的性能實(shí)現(xiàn)，即安全性。

與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比較，隔震結(jié)構(gòu)有兩大特點(diǎn)：其一是通過(guò)改變隔震層與上部結(jié)構(gòu)所組成的結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性減少能量輸入；其二是將能量耗散機(jī)制集中于隔震層，從而保證上部結(jié)構(gòu)的安全性。 因此，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)體系以隔震層的較大位移為代價(jià)，確保了上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移較小。 而在地震結(jié)束后，對(duì)隔震層進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)、復(fù)位和替換，可以保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

2.2 隔震支座的構(gòu)成

根據(jù)機(jī)理不同，隔震支座可以分為疊層橡膠支座（LNR）、高阻尼疊層橡膠支座（HDR）、鉛芯橡膠支座（LRB）、滑移摩擦支座 （SIB）、 摩擦擺支座 （FPS） 以及各類(lèi)組合支座等。 GB 50010—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）注釋部分將隔震設(shè)計(jì)范圍限制在 “由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成具有整體復(fù)位功能的隔震層”， 本文以LRB 作為隔震支座的典型進(jìn)行闡述。

鉛芯橡膠支座的構(gòu)成如圖1 所示， 主要包括功能區(qū)和連接區(qū)兩部分。 功能區(qū)由多層鋼板和鋼板之間的橡膠組成，中心有鉛芯； 鋼板和鋼間密實(shí)的橡膠為支座提供豎向剛度及側(cè)移剛度；鉛芯主要用于耗能。 連接區(qū)由較厚的鋼板，及螺栓組成，用于和上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)連接。

圖1 鉛芯橡膠支座的構(gòu)成

2.3 隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

《抗規(guī)》對(duì)抗震設(shè)防要求提出“小震不壞、中震可修和大震不倒”三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)原則，和兩階段設(shè)計(jì)方法，其中，第一階段采用針對(duì)第一水準(zhǔn)的地震作用進(jìn)行承載力驗(yàn)算， 第二階段針對(duì)第三水準(zhǔn)的地震作用進(jìn)行薄弱層驗(yàn)算。

隔震支座技術(shù)參數(shù)至少含有兩層意義， 其一是根據(jù)自身構(gòu)造所得出的參數(shù)；其二是針對(duì)《抗規(guī)》的兩階段設(shè)計(jì)而提供的參數(shù)。 支座的研發(fā)和生產(chǎn)至少需要兩次力學(xué)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)JG 118—2000《建筑隔震橡膠支座》，在隔震支座研發(fā)定型后需要進(jìn)行形式檢驗(yàn)和出場(chǎng)檢驗(yàn)。 在形式檢驗(yàn)中， 將給出如豎向剛度、水平剛度、屈服后水平剛度和等效黏滯阻尼等參數(shù)。 《抗規(guī)》中對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)建議采用時(shí)程分析為主，其中，隔震支座的模型采用上述參數(shù)所構(gòu)成的滯回曲線。

3 新疆的隔震技術(shù)概況

3.1 新疆較大區(qū)域?qū)儆诳拐鹪O(shè)防高烈度區(qū)

新疆位于印度洋板塊和歐亞板塊交會(huì)處， 自北向南包括阿爾泰、北天山、南天山、西昆侖山和阿爾金山地震帶，而烏恰—喀什地區(qū)為典型強(qiáng)地震活動(dòng)區(qū)。 自古以來(lái)，地震對(duì)新疆社會(huì)的發(fā)展造成了重大影響，古人根據(jù)生存要求，天然選擇合適地域作為居住場(chǎng)所，以避免較大地震帶來(lái)的影響。 比如，南疆綠洲城市中，起初大部分也是設(shè)防烈度不高城市，但是，當(dāng)人口發(fā)展和用地需求產(chǎn)生較大幅度沖突時(shí)， 人類(lèi)也必須將某些抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)作為生產(chǎn)生活場(chǎng)所。 在我國(guó)最新的抗震設(shè)防烈度表中，新疆9 度烈度區(qū)有2 個(gè)，八度（0.3g）有3個(gè)，八度（0.2g）有26 個(gè)，因此，高烈度區(qū)占比在新疆較高。

當(dāng)新疆經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展達(dá)到一定程度后， 對(duì)地震危害的重視程度必須提高。 首先，保證人的生命安全；其次，保證在突發(fā)地震時(shí)，醫(yī)院、學(xué)校等建筑可以作為避免場(chǎng)所；最后，保證生命線工程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如信息流、物流和電力等不會(huì)癱瘓。

新疆作為“一帶一路”核心區(qū)，必須重視抗震工作。 由于建筑物的功能性要求，在進(jìn)行韌性城市規(guī)劃中，常遇地震和罕遇地震的抗震設(shè)防需要達(dá)到國(guó)家的基本要求， 甚至部分適當(dāng)超前。 因此，在新疆發(fā)展隔震技術(shù)具有一定可能性和必要性。

3.2 隔震技術(shù)早期發(fā)展歷程

3.2.1 技術(shù)初步探索期

2008 年，汶川地震造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，使全國(guó)各地掀起了結(jié)構(gòu)抗震研究的熱潮， 隔震技術(shù)也隨之得到較大程度推廣，新疆也不例外。 程玉蘭[2]采用時(shí)程分析法對(duì)某采用疊層橡膠群的7 層結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)化。艾合買(mǎi)提[3]進(jìn)行減震消能支座的數(shù)值模擬和1/4 比例振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。 這種探索是零星的，并沒(méi)有在具體工程中應(yīng)用。 這個(gè)階段值得指出的是周福霖院士進(jìn)行的探索工作，使新疆的隔震事業(yè)與內(nèi)地基本同步。

3.2.2 技術(shù)初步應(yīng)用期

隨著科研人員和工程技術(shù)人員對(duì)隔震技術(shù)熟悉程度提高、隔震支座產(chǎn)品成熟和價(jià)格降低、以及業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能關(guān)注程度提高，隔震技術(shù)得到了一定程度推廣，尤其是第7 批援疆工作開(kāi)展后。 汶川地震后，對(duì)于醫(yī)院、學(xué)校等生命線工程中的關(guān)鍵建筑設(shè)防要求提高，隔震技術(shù)得到一定程度使用。

陳燕華[4]基于ANSYS 平臺(tái)，采用FORTRAN 編制端口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。徐忠根[5]對(duì)喀什某砌體隔震結(jié)構(gòu)的計(jì)算及對(duì)特征周期研究。 陳通[6]通過(guò)對(duì)疆內(nèi)地震分析，指出近斷層脈沖地震的速度脈沖效應(yīng)明顯， 應(yīng)采用LRB+ 非線性黏滯阻尼器的隔震方案。郭銳[7]進(jìn)行了隔震層設(shè)置位置不同的減震效果對(duì)比研究。王飛[8]研究了改性砂漿滑移層和限位橡膠束聯(lián)系的裝置在砌體結(jié)構(gòu)隔震中的應(yīng)用。王玉喜[9]對(duì)疊成輪胎隔震墊的豎向力學(xué)性能進(jìn)行研究。

從上述情況可知， 具有一定理論價(jià)值的研究主要由內(nèi)地科研人員基于新疆特殊地震形式做出； 新疆當(dāng)?shù)匮芯咳藛T對(duì)隔震理論研究已經(jīng)體現(xiàn)出自覺(jué)狀態(tài)， 主要體現(xiàn)在配合援疆省市，在援建的學(xué)校、醫(yī)院等進(jìn)行嘗試性應(yīng)用。

4 新疆隔震技術(shù)工程實(shí)踐

《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》（國(guó)務(wù)院第744 號(hào)令）明確指出“位于高烈度設(shè)防地區(qū)、 地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場(chǎng)所、廣播電視等建筑應(yīng)當(dāng)按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定采用隔震減震等技術(shù)， 保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用要求”，這將進(jìn)一步規(guī)范減隔震技術(shù)在新疆的使用。

較之內(nèi)地，新疆隔震建筑的應(yīng)用起步較晚，發(fā)展則比較迅速。 一方面是由于政策法規(guī)的導(dǎo)向作用，另一方面是采用隔震技術(shù)在高烈度區(qū)具有一定的經(jīng)濟(jì)可比性。 隔震支座在學(xué)校、醫(yī)院、其他公共建筑和住宅中都有所應(yīng)用，而滑移隔震層則在農(nóng)村住宅中有一定幅度程度應(yīng)用。 其中，比較典型案例是喀什地區(qū)第一人民醫(yī)院門(mén)診樓[10]、阿圖什市人民醫(yī)院分院、喀什大學(xué)新泉校區(qū)圖文中心樓等。2010 年后，部分新建的中小學(xué)和醫(yī)院也采用了隔震技術(shù)，更多地采用了減震技術(shù)。

汶川地震后，考慮到土建成本和其他附加成本，隔震技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用也時(shí)有發(fā)生， 如在烏魯木齊的某駐疆辦[11]和某藝術(shù)館[12]加固中采用鉛芯橡膠支座和疊層橡膠支座的聯(lián)合使用構(gòu)成隔震層。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)考察隔震技術(shù)在新疆的應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論：

1）高校、科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)院的研究和技術(shù)人員在隔震技術(shù)方面進(jìn)行一定深度探索，能夠根據(jù)規(guī)范使用此類(lèi)技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)夭牧虾凸に噷?shí)際情況進(jìn)行探索。

2）新疆地形地貌復(fù)雜；在諸如近斷裂帶等具有典型意義特殊場(chǎng)地中，隔震研究還處于較粗淺階段，可以進(jìn)行深入探索。