建筑基礎消能隔震技術(shù)是目前世界地震工程界推廣應用較多的成熟高新技術(shù)之一。
地震是人類(lèi)社會(huì )無(wú)法避免的一種自然現象，地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失90%甚至更多源于建筑物倒塌所致。因此世界各國都在致力于做好工程抗震減災工作，致力于提高建設工程的抗震設防水平，提高建設工程的抗震能力。
基礎隔震技術(shù)是目前世界地震工程界推廣應用較多的成熟高新技術(shù)之一。被美國地震專(zhuān)家稱(chēng)之為“40年來(lái)世界地震工程最重要的成果之一，基礎隔震技術(shù)的使用使建筑在地震中不倒塌真正成為可能，使其成為減輕地震災害最有效的手段之一?！钡卣饘?zhuān)家、中國工程院院士、廣州大學(xué)工程抗震研究中心主任周福霖認為，隔震、減震、消能控震都是“以柔克剛”的抗震好辦法，是未來(lái)的發(fā)展潮流，其效果遠遠好過(guò)加粗房屋柱子的傳統抗震方法。本期《科普之窗》將為您講述建筑基礎消能隔震技術(shù)知識，增強廣大市民的防震減災意識。
建筑中的隔震墊安裝
消能隔震技術(shù)
地震引起地面往復運動(dòng)，使地面上原來(lái)處于靜止的建筑物受到動(dòng)力作用而產(chǎn)生強迫振動(dòng)，因而在結構中產(chǎn)生內力、變形和位移，造成房屋破壞、橋梁塌落以及其他眾多工程設施損毀。地震專(zhuān)家經(jīng)過(guò)對簡(jiǎn)化后的模型動(dòng)力學(xué)分析和建筑抗震經(jīng)驗設計，即一次次的震害分析進(jìn)行修正、補充，得到一些建筑物在地震作用下的反應機理及破壞形式，提出了一些建筑物抗震的計算方法及設計的基本原則，即在建筑設計和施工中采用隔震或消能減震技術(shù)。隔震是將工程結構和地面分割開(kāi)來(lái)，并通過(guò)一套專(zhuān)門(mén)的支座裝置和地面相連接，形成一個(gè)水平向柔弱層，安裝支座后結構振動(dòng)基本周期被顯著(zhù)延長(cháng)，可以避開(kāi)地震動(dòng)的卓越周期，這樣就能減少地震能量的傳輸，從而降低結構的地震反應、有效地保護結構免遭地震破壞。減震又稱(chēng)為消能減震，是通過(guò)增加工程結構自身的阻尼，消耗結構振動(dòng)能量，減少結構的地震反應程度，有效提高結構的抗震性能。
傳統房屋采用“剛性抗震”方法通過(guò)增加截面尺寸，提高材料強度等級，以提高抗震能力。但缺點(diǎn)是允許房屋結構破壞，提高了工程造價(jià)，抵御不了大地震。 隔震房屋則另辟蹊徑采用“柔性抗震”方法，在建筑物基礎與地基之間用隔震層將其上下隔斷，使80%以上的地震能量不能傳遞上來(lái)，地震時(shí)地動(dòng)而房不動(dòng)，提高了抗震能力。隔震房屋比傳統抗震房屋的安全度可提高90%左右。強震時(shí)不僅房屋不會(huì )損壞、倒塌，功能系統也不會(huì )被損壞;人員可以不必疏散，照常工作。
隔震建筑主要采用橡膠支座隔震，橡膠隔震支座能減小地震作用，消除或有效減輕結構或非結構的損壞，從而起到隔離消減地震能量的作用。從技術(shù)角度講，建筑基礎隔震技術(shù)是在建筑上部結構與基礎(或下部)結構之間，設置可以人為改變結構體系振動(dòng)特性的隔震系統，使建筑物上部結構與地基“隔開(kāi)”，“隔斷”地震能量向上部結構的有效傳遞路徑。實(shí)際上是通過(guò)隔震層的水平向大變形運動(dòng)消耗掉大部分地震能量，減輕上部結構所受到的慣性地震作用，有效降低地震引起的結構加速度反應、減小層間剪力及相應的剪切變形。與以往的建筑結構抗震設計，采用隔震技術(shù)的建筑物具有以下優(yōu)點(diǎn)：①提高地震時(shí)結構的安全性;②設計自由度增大;③防止內部物品的振動(dòng)移動(dòng)和翻倒;④防止非結構構件的破壞;⑤抑制振動(dòng)的不適感;⑥可以保證機械器具的使用功能。從經(jīng)濟角度講，抗震設防烈度越高，采用隔震措施所獲得的直接經(jīng)濟效益就越明顯。以采用疊層橡膠墊隔震技術(shù)為例，以達到相同的抗震能力為衡量標準，當抗震設防基本烈度為9度時(shí)，與相同規模的非隔震建筑相比，隔震后建筑物的平均土建造價(jià)最高可節省約15%一20%;8度時(shí)，最高可節省土建造價(jià)約10%;7度時(shí)，基本不節省造價(jià)，或造價(jià)略有增加約1%一5%左右;6度時(shí)，土建造價(jià)增加約10%。雖然上述比較是以達到相同的抗震能力為衡量標準，但實(shí)際上6、7度設防時(shí)，采用基礎隔震措施后，房屋的實(shí)際抗震能力已遠大于相同不隔震建筑的抗震能力，其所帶來(lái)的安全儲備大幅度提高(可提高2一10倍)。在隔震設計時(shí)，要經(jīng)過(guò)計算，進(jìn)行多方案比較選擇最佳方案。不經(jīng)過(guò)計算而直接采取隔震措施，有時(shí)會(huì )導致隔震效率不高或者不經(jīng)濟。當處理不好時(shí)，還可能產(chǎn)生共振，不僅無(wú)益還會(huì )加大震害。
隔震支座解剖圖
隔震原理及隔震形式
隔震技術(shù)尚屬新興學(xué)科，它能有效地吸收地震能量，減少結構的水平地震作用，從而消除或減輕結構和非結構的地震損壞，增強建筑物及內部設施和人員的地震安全性，提高建筑物的抗震能力。
從隔震結構原理的模型圖分析得知：(1)彈簧的剛度越大，振子的周期就越短;彈簧的剛度越弱，振子的周期就越長(cháng)。當彈簧的剛度特別大，則建筑物就不能滾動(dòng)，只有自身的往復變形運動(dòng)，即建筑物的自身振動(dòng)，隔震措施就沒(méi)有發(fā)揮出隔震作用;當彈簧的剛度特別小時(shí)，建筑物就不能往復運動(dòng)，即不能成為振子;(2)當滾珠的摩擦力特別小時(shí)，建筑物的往復運動(dòng)就不會(huì )停止;當滾珠的摩擦力特別大時(shí)，建筑物就會(huì )立刻停止。因此，建筑物的運動(dòng)特性取決于自振周期和阻尼兩個(gè)因素，而自振周期又取決于建筑物的質(zhì)量和彈簧的剛度?？芍?，對建筑物采取的隔震措施，其效果取決于隔震器和阻尼器的特性。
根據隔震形式的不同，建筑隔震技術(shù)分為基礎隔震和懸掛隔震?；A隔震就是在建筑物或構筑物的基底設置隔震裝置?；A隔震概念最早是由日本學(xué)者河合浩藏于1881年提出的。主要有以下幾種方式：①橡膠支座。它是由多層橡膠和鋼板相互疊加而成，在施加豎向荷載時(shí)，由于橡膠受到鋼板的約束，不會(huì )產(chǎn)生很大的橫向變形，即具有很強的抗壓能力;水平方向有很大的變形能力，在地震作用下，橡膠墊可以隔離水平方向的運動(dòng)分量。最初是在1965年用于倫敦的地鐵車(chē)站上面的建筑，采用多層橡膠支座防止了地鐵的振動(dòng)傳給上部建筑物。②鉛心橡膠墊。它是對橡膠支座的一大改進(jìn)。在橡膠支座中心鉆孔，插入一個(gè)鉛芯，利用其塑性變形能力把支座的臨界阻尼從3%增加到10%～15%。因此，在低阻尼要求的情況下，可以不使用阻尼器。③柔性樁結構。它是采用立在套管中的樁來(lái)隔震，樁頂鉸接，使樁在水平方向有一定的柔性，套管和樁之間有一定的間隙，使樁可以在套管中變位，將結構與可能發(fā)生有害地震的土層分開(kāi)。當樁頂安置阻尼器時(shí)，可構成有效的隔震基礎系統。
也可采用阻尼器的方式：①油阻尼器。它是比較理想的阻尼材料。根據流體動(dòng)力學(xué)理論可以設計各種形式的油阻尼器。所采用的油材料很多，通常油硅油、機械油、柴油機油、變壓器油等。在設置時(shí)，一般不少于四個(gè)，對稱(chēng)布置在基礎的四角，避免在體系質(zhì)心的坐標軸線(xiàn)上布置阻尼器。②摩擦阻尼器。將幾塊鋼板用高強螺栓連在一起，可做成摩擦阻尼器。通過(guò)調節高強螺栓的預應力，就可調節鋼板間摩擦力的大小。通過(guò)對鋼板表面進(jìn)行處理或加墊特殊摩擦材料，可以改善阻尼器的往復摩擦性能。③彈塑性阻尼器。低碳鋼具有良好的塑性變形性能，可在超過(guò)屈服應變幾十倍的塑性應變上下往復變形數百次而不斷裂。根據需要，可以將鋼板(棒)彎成各種形狀做成阻尼器。
消能隔震技術(shù)還有一種形式就是懸掛隔震，懸掛隔震即將結構的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來(lái)，使地震動(dòng)傳遞不到主體質(zhì)量上，產(chǎn)生較小的慣性力，從而起到隔震作用。懸掛結構在橋梁、火電廠(chǎng)鍋爐架等方面有大量應用。懸掛結構懸桿受力較大，須采用高強鋼，而高強鋼忍性差，在豎向地震作用時(shí)易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點(diǎn)設減震彈簧，并配合使用阻尼器。著(zhù)名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結構。
消能隔震技術(shù)的發(fā)展與現狀
目前，較為成熟的建筑隔震技術(shù)包括：疊層橡膠支座隔震、摩擦擺隔震、滾軸支座隔震、滑移隔震、混凝土短柱支座隔震等，其中疊層橡膠支座隔震技術(shù)的應用最為普遍。
世界上大約有30多個(gè)國家在開(kāi)展這方面的研究，這項技術(shù)已被應用在橋梁、建筑，甚至是核設施上：1977年法國第一次將橡膠隔震技術(shù)應用于原子能反應堆中;1984年新西蘭建造了第一幢疊層橡膠支座的四層建筑物;1985年美國建成第一座四層的疊層橡膠支座隔震大樓——加州·圣丁司法事務(wù)中心;1986年日本建成一幢五層高技術(shù)中心樓，采用鉛芯橡膠隔震支座。截止目前，世界上大約已建成了4000多幢橡膠隔震建筑。
上世紀80年代以來(lái)，基礎隔震技術(shù)研究開(kāi)始在中國得到重視，國內不少學(xué)者對國際上流行的基礎隔震體系進(jìn)行了研究，取得了很大的進(jìn)展。截至目前，我國采用疊層橡膠隔震支座建設的各類(lèi)房屋建筑面積已達幾百萬(wàn)平方米以上，遍布大江南北十幾個(gè)省市自治區。不過(guò)，雖然我國的隔震減震技術(shù)研究已處于世界先進(jìn)行列，但其推廣應用并不理想。自1989年開(kāi)始應用至今，我國只有3000多棟房屋、100多座橋梁使用了該技術(shù)。周福霖院士認為，造成上述現象的主要原因在于：一是設計人員抗震設防思維落后，錯將設防烈度當做安全的準確指標;二是政府管理部門(mén)意識落后;三是開(kāi)發(fā)商為追求經(jīng)濟利益，降低設防標準;四是施工人員沒(méi)有完全了解并掌握隔震減震技術(shù)。周福霖說(shuō)：“但不管怎樣，隔震減震技術(shù)仍是我國工程技術(shù)的發(fā)展方向之一，未來(lái)應從單純采用傳統抗震技術(shù)過(guò)渡到同時(shí)采用抗震、隔震、減震技術(shù)的新時(shí)代?！彼睦硐胧亲尩卣鹬械慕ㄖ锬芟裢２丛谒锏拇粯?，飄動(dòng)幾下又歸于平靜;讓地震像一場(chǎng)暴風(fēng)雨一樣，平凡而不可怕。
實(shí)際結構地震反應記錄和試驗研究表明，建筑物采取有效的隔震措施后，可以有效地保護上部結構免遭破壞，同時(shí)室內裝修及設備也可得到有效保護，即使在強震作用下也可保持建筑功能完好。在類(lèi)似于汶川大地震這樣千年難遇的意外事件發(fā)生時(shí)，不但會(huì )保護生命財產(chǎn)的安全，更重要的是地震將不再是毀滅性的災難，不再會(huì )
對社會(huì )造成巨大的恐慌。
適用范圍與應用實(shí)例
一般來(lái)說(shuō)，隔震結構可以適合各種用途的建筑，并都能獲得較好的隔震效果。出于結構的安全性、房屋內部物品的振動(dòng)翻到、防止構件二次損壞等因素，更適合用隔震措施的建筑物有：住宅(居民住宅、養老院、療養院)、公共建筑(劇院、醫院、旅館)、防災中心建筑(學(xué)校、消防局)、核電設施(核電站、倉庫)、尖端產(chǎn)業(yè)設施(研究所、超精密加工廠(chǎng))、紀念性建筑物(紀念建筑、寺廟)等等。
實(shí)例①：1995年云南武定6.5級地震，地震發(fā)生時(shí)，大理震感強烈，而橡膠墊隔震建筑——大理州交通指揮中心大樓中的大多數人沒(méi)有感覺(jué)，不知道地震發(fā)生。
實(shí)例②：1996年，云南麗江發(fā)生7級強烈地震。西昌市國稅局宿舍樓為六層隔震樓。在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動(dòng)，而相鄰的一幢常規抗震樓只有四層高，樓上居住的人搖晃十分厲害，驚慌失措往外逃跑。
實(shí)例③：蘆山縣人民醫院系汶川地震后澳門(mén)同胞捐款修建的，為6層鋼筋混凝土框架結構，在基底采用疊層橡膠支座，上部結構按照Ⅶ度設防。2013年4月20日蘆山M7.0地震后，該醫院處于Ⅸ度區，周邊相鄰非隔震建筑破壞嚴重，但人民醫院不但結構、裝修完好，連窗戶(hù)玻璃和樓頂招牌都完好無(wú)缺，各樓層醫療設施也完好無(wú)損。震后為傷員救治發(fā)揮了重要作用，因而被網(wǎng)友稱(chēng)為“樓堅強”。其秘密就在于支座的彈簧緩沖效應。
實(shí)例④： 全球最大的減隔震單體建筑——昆明新機場(chǎng)航站樓的實(shí)現，開(kāi)發(fā)了大尺寸高荷載支座、低硬度隔震支座、高阻尼隔震支座以及低摩擦系數的滑移支座。在橡膠配方、生產(chǎn)工藝方面實(shí)現了自助創(chuàng )新，克服間隔震支座產(chǎn)品性能和質(zhì)量穩定性差的難題，抗震性能達到了發(fā)達國家水平。昆明新機場(chǎng)航站樓隔震技術(shù)所實(shí)現的科技創(chuàng )新，取得了多項專(zhuān)利，有關(guān)經(jīng)驗豐富和完善了我國隔震技術(shù)的國家標準和有關(guān)行業(yè)規范，推動(dòng)了隔震技術(shù)的進(jìn)步。
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建筑基礎隔震技術(shù)發(fā)展應用史
早在二十世紀60年代中后期，新西蘭、日本、美國等國家就已經(jīng)對建筑基礎隔震技術(shù)開(kāi)展了系統的理論和試驗研究，并取得了較好的成果。
上世紀70年代初，新西蘭率先開(kāi)發(fā)出鉛芯疊層橡膠支座，1974年世界首棟隔震建筑在新西蘭建成。90年代，全世界共有30多個(gè)國家和地區圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)了更加廣泛深入的研究和應用。1994年洛杉磯地震和1995年日本阪神地震后隔震技術(shù)得到迅速發(fā)展，并相繼寫(xiě)入各國抗震規范，美國、日本開(kāi)始大量采用隔震建筑。
我國于上世紀60年代開(kāi)始建筑基礎隔震理論及應用技術(shù)的探索研究，80年代后期獲得重視，90年代以后取得長(cháng)足進(jìn)步并在許多重要工程中獲得應用。2001年建筑基礎隔震減震技術(shù)寫(xiě)入我國《建筑抗震設計規范》，更標志著(zhù)隔震技術(shù)在我國的成熟發(fā)展。
