基礎(chǔ)隔震

1921年，美國工程師F.L.萊特在設(shè)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(guān)東大地震發(fā)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(chǔ)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(chǔ)，但限于當時的水平與條件，基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用未被很好地研究與開發(fā).

隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結(jié)構(gòu)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(guān)隔震及非隔震結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)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(chǔ)隔震體系被認為是隔震技術(shù)邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w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(wù)中心.1986年日本又建成一幢5層高技術(shù)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(shù)已被應(yīng)用在橋梁、建筑，甚至是核設(shè)施上.截止目前，世界上大約已建成了3100多幢基礎(chǔ)隔震建筑，其中80%以上采用的是疊層橡膠墊隔震系統(tǒng)

80年代以來，基礎(chǔ)隔震研究開始在我國得到重視，國內(nèi)不少學(xué)者對國際上流行的基礎(chǔ)隔震體系進行了研究，取得了較大的進展.現(xiàn)在，我國已建造了2000余幢各類基礎(chǔ)隔震體系的建筑物，有疊層橡膠墊隔震體系、砂墊層滑移摩擦體系、石墨砂漿滑移體系、懸掛隔震結(jié)構(gòu)體系等，其中絕大多數(shù)采用的是粘結(jié)型疊層橡膠墊隔震體系.現(xiàn)代隔震技術(shù)經(jīng)歷了30年的歷程，得到了廣泛的應(yīng)用，目前隔震技術(shù)的應(yīng)用程度在日本等國家，已經(jīng)成為建筑的主導(dǎo);我國將在2008年(在應(yīng)用面積上)首次超過日本。

截止2016年6月，建筑隔震技術(shù)在全國各省市自治區(qū)幾乎都有應(yīng)用，包括云南、新疆、四川、陜西、甘肅、河北、江蘇、山西、北京、山東、寧夏、天津、廣東、海南、福建、內(nèi)蒙、青海、上海、廣西、河南、吉林、臺灣等省市，已建成隔震建筑3000多棟。

云南由于地震多發(fā)，政府重視，同時研究推廣早，開發(fā)了高性能的橡膠隔震支座，培養(yǎng)了較強的技術(shù)與設(shè)計力量，形成了研究、設(shè)計、產(chǎn)品提供、施工和后期服務(wù)較成熟的成套技術(shù)，所以云南隔震技術(shù)的應(yīng)用走到了全國的前列，是我國建筑隔震技術(shù)應(yīng)用范圍最廣的地區(qū)。目前，建成隔震建筑2000多棟，其中包括建成全球最大的隔震建筑、最高的隔震建筑群等一批標志性建筑。其次是四川、新疆、陜西、甘肅等地區(qū)建成隔震建筑100多棟，河北、江蘇、北京、天津、山西、山東超過50棟，其他省市應(yīng)用相對較少。

北京新機場航站樓將采用先進的組合隔震技術(shù)，設(shè)置1232個橡膠隔震支座和彈性滑板支座，大幅度提高航站樓結(jié)構(gòu)的抗震性能，將成為國內(nèi)最大的單體隔震建筑。

1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期階段

基礎(chǔ)隔震概念最早是由日本學(xué)者河合浩藏于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(chǔ)，再在混凝土基礎(chǔ)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(chǔ)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(fā)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(shè)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(guān)東大地震發(fā)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(chǔ)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(chǔ)，但限于當時的水平與條件，基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用未被很好地研究與開發(fā).

1.2 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的現(xiàn)代階段

隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結(jié)構(gòu)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(guān)隔震及非隔震結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)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(chǔ)隔震體系被認為是隔震技術(shù)邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w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(wù)中心.1986年日本又建成一幢5層高技術(shù)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(shù)已被應(yīng)用在橋梁、建筑，甚至是核設(shè)施上.截止目前，世界上大約已建成了3100多幢基礎(chǔ)隔震建筑，其中80%以上采用的是疊層橡膠墊隔震系統(tǒng)[1].

80年代以來，基礎(chǔ)隔震研究開始在我國得到重視，國內(nèi)不少學(xué)者對國際上流行的基礎(chǔ)隔震體系進行了研究，取得了較大的進展.現(xiàn)在，我國已建造了2000余幢各類基礎(chǔ)隔震體系的建筑物，有疊層橡膠墊隔震體系、砂墊層滑移摩擦體系、石墨砂漿滑移體系、懸掛隔震結(jié)構(gòu)體系等，其中絕大多數(shù)采用的是粘結(jié)型疊層橡膠墊隔震體系.現(xiàn)代隔震技術(shù)經(jīng)歷了30年的歷程，得到了廣泛的應(yīng)用，目前隔震技術(shù)的應(yīng)用程度在日本等國家，已經(jīng)成為建筑的主導(dǎo);我國將在2008年(在應(yīng)用面積上)首次超過日本。

2 疊層橡膠墊體系的隔震原理

對建筑物地震反應(yīng)有重要影響的主要因素有兩個:一個是結(jié)構(gòu)的周期，一個是阻尼比.普通非隔震中低層建筑物的剛度大、周期短，其基本周期正好在地震輸入能量最大的頻段上.因此相應(yīng)的加速度反應(yīng)比地面運動放大得多，而位移反應(yīng)卻較小，如圖中A點所示.如果延長建筑物的周期，而保持阻尼不變，則加速度反應(yīng)被大大降低，但位移反應(yīng)卻有所增加，如圖中B點所示.如果繼續(xù)加大結(jié)構(gòu)的阻尼，加速度反應(yīng)則繼續(xù)減弱，且位移反應(yīng)也得到明顯降低，如圖中C點.這就是說，通過延長結(jié)構(gòu)的周期并給予較大的阻尼，就可使結(jié)構(gòu)上的加速度反應(yīng)大大降低.同時，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較大位移可由上部結(jié)構(gòu)底部和基礎(chǔ)頂部之間設(shè)置的隔震層來提供，而不由上部結(jié)構(gòu)自身的相對位移來承擔.這樣，上部結(jié)構(gòu)在地震過程中就會發(fā)生接近平移的運動，大大提高了上部結(jié)構(gòu)的安全度.

疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的隔震層是由若干個隔震器所組成.隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊.這種隔震體系的周期長、阻尼比大，隔震效果明顯.尤其采用后兩種隔震器，不需再另外附加阻尼器，便于施工.

3 疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的性能評價

在諸多基礎(chǔ)隔震體系中，通過大量的實驗和研究，根據(jù)國際上對隔震體系的評價標準，疊層橡膠墊隔震體系有下面一些性能優(yōu)勢:

1) 該體系的豎向承載力大.一般單個的隔震器豎向承載力設(shè)計值可達數(shù)千噸，極限承載力可達上萬噸.

2) 該體系的隔震層具有穩(wěn)定的彈性復(fù)位功能，能在多次地震中自動瞬時復(fù)位.這是摩擦滑移隔震體系所完全不能相比的.

3) 隔震器的耐久性好，抗低周疲勞性能、抗熱空氣老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均較好.通過對產(chǎn)品試件的各類性能測試，其使用壽命在60~80年[2].最近日本曾將一幢使用了10年之久的疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震樓中的隔震器更換下來進行各類性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其各類指標與10年前相比，幾乎沒有什么變化.

4) 隔震效果明顯，其加速度反應(yīng)大大低于非隔震結(jié)構(gòu)，且理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果比較吻合.如日本東京一幢22.8 m高的鋼筋混凝土基礎(chǔ)隔震樓，在1987年12月17日千葉近海發(fā)生的6.7級地震中，實測地面加速度為43.8 cm/s2，而樓頂?shù)淖畲蠹铀俣葍H為11.9 cm/s2.在疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系課題的研究過程中，通過對4種不同類型結(jié)構(gòu)隔震體系的分析與計算，可看出抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，若采用疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系，上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度可降低1~2度，且有較大的安全儲量.

5) 與其它隔震體系相比，隔震器受地基不均勻沉降的影響并不十分明顯，且構(gòu)造簡單、安裝方便，傳力方式簡單明確.

盡管疊層橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)有諸多明顯的優(yōu)點，但在研究過程中發(fā)現(xiàn)，該體系在動力性能方面要求相當嚴格，不論從設(shè)計還是到施工，都與傳統(tǒng)的非隔震結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別.為了保證分析與計算結(jié)果的可靠性，分別采用4條途徑分析了不同類型的4種結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn):

1) 疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動力特性，不但隨結(jié)構(gòu)體系的類型不同而變化，而且與隔震器安裝位置的不同也有很大關(guān)系.因此，在設(shè)計時不但要對其進行專門的概念設(shè)計，而且應(yīng)從多角度進行動力分析，合理、準確地把握其動力響應(yīng)，才能保證做出安全、可靠的設(shè)計.

2) 在隔震結(jié)構(gòu)中，為了真正實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)與地面的"隔離"，還需注意一些關(guān)鍵部位的構(gòu)造處理.如底層樓梯與主體結(jié)構(gòu)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性化問題等，有一方面疏忽都會在地震中帶來巨大的災(zāi)難.

3) 除此之外，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的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，并要求隔震器安置有較高的水平度，以確保地震時隔震層能發(fā)生水平位移并瞬時復(fù)位.

4 結(jié)論

1) 由于疊層橡膠墊隔震體系具有豎向承載力大、彈性復(fù)位功能強、隔震效果明顯等性能優(yōu)勢，因此在設(shè)計中，對傳統(tǒng)樓房的高度限值和安全距離等限制條件均可適當放寬.

2) 研究結(jié)果表明，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度可降低1~2度，且仍有較大的安全儲量.

3) 雖然隔震體系要增加一層隔震層，似乎造價有所增高.但隨上部結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度的降低而節(jié)約的造價，可用于建造隔震層.因此，對整個隔震建筑的工程造價來說，和同類非隔震建筑相比，造價會在-5~+5之間浮動.如果把建筑物全壽命及地震時建筑結(jié)構(gòu)的破壞、內(nèi)部財產(chǎn)的損失、人員傷亡以及建筑物損壞造成的停工停產(chǎn)所帶來的損失加起來，該基礎(chǔ)隔震體系的經(jīng)濟效益和社會效益十分巨大，是一種極具推廣和應(yīng)用的新技術(shù).

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