房屋隔震技術的發展

薛軍峰 曹校勇 劉新華

1 地震災害

地球上主要有四組地震帶,我國部分地區位于歐亞地震帶上,大部分地區又夾在歐亞地震帶與太平洋地震帶之間,地震情況非常復雜。從歷史的地震情況看,我國除了個別省份(浙江、江西)外,絕大部分地區都發生過較強的破壞性地震,有不少地區現代地震活動相當強烈,如我國的臺灣、新疆、西藏、西南、西北、華北和東南沿海地區。

地震帶來的人員傷亡數量巨大,財產損失慘重,這些災難的直接原因是房屋建筑在強震中的破壞和倒塌,如圖1,圖2所示。因此,房屋建筑采用合適的隔振措施非常重要。

2 房屋隔震的歷史

房屋隔震往往就是通過在建筑物的基底或者某個部位設置一個隔震層來調整結構的剛度和阻尼,從而改變結構的自振頻率,延長結構自振周期 T,避開地震卓越周期,達到減小地震輸入結構中地震能量的目的,有時隔震系統中尚配置有專門的耗能裝置,以增強結構吸能與耗能能力,大大減小結構的地震反應,降低地震作用對上部結構的破壞能力。

雖然現在最古老的中世紀木建筑——明成祖永樂年間(1406年)開始修建的紫禁城(現在的“北京歷史博物館”)在修建的時候,采用了煮過的糯米和石灰的混合物作基礎,具有很好的柔性和阻尼作用,經受了多次地震的考驗。日本1252年修建的鐮倉大佛在不知不覺中應用了隔震思想而經受住了關東大地震的考驗。但直到20世紀初期,基礎隔震的概念才開始在工程中應用。

1921年Lloydwrihgt主持建造的日本東京帝國大廈均在1923年關東大地震中表現了良好的隔震性能,引起了人們對房屋建筑采用隔震技術的重視。1934年日本真島教授將一樓與二樓在結構上分開,二樓以柔弱柱支撐以求減震。1965年在新西蘭舉行的第三次世界地震工程會議上提出了首篇以解析方法論證滑移隔震理論的論文,其作者日本的松下清夫和泉正哲在文中提出了以搖動球座(Rocking Ball)為隔震裝置進行隔震。而1890年德國人Jacob Bechtold設計的一種由鋼盤、滾珠構成的減震器,1909年英格蘭醫生Calantanrients提出的用滑石粉層將房屋與基礎隔開的減震方法,均申請了美國專利。1924年,日本山下興家氏和鬼頭健三郎氏兩人分別以彈簧及球體隔震方法取得專利。

3 房屋隔震技術現狀

3.1 橡膠支座隔震系統

橡膠支座由橡膠和鋼片隔層布置組成,構造圖如圖3所示。靠橡膠的剪切變形實現水平變位,加勁鋼板可以提高橡膠的豎向承壓能力。在建筑物的基礎和上部建筑之間設置橡膠支座,可以在一定程度上隔離地震輸入結構的地震能量,達到減震的目的。

1993年建成的位于汕頭市陵海路38號的八層樓房是我國第一棟橡膠支座隔震房屋,23個橡膠支座使樓房與地面隔開,形成隔震層。如今,該樓房已經經受了1994年和2006年經歷的兩次臺灣海峽強震的考驗。

3.2 鉛芯橡膠支座隔震系統

鉛芯橡膠支座是在普通的板式橡膠支座中心加入適量的鉛芯而成,構造如圖4所示。內置的鉛芯可以提供靜力荷載作用下所必需的剛度,同時,也可以滿足地震荷載作用下所需的屈服強度,即在較小的水平力作用下,由于其較大的剛度而鉛銷橡膠支座的變形很小,在大震作用下,鉛銷橡膠支座因鉛銷屈服而產生滯后的塑性變形,振動能量消耗,且通過橡膠提供恢復力。因此,鉛銷橡膠支座不僅是隔震系統也是阻尼器。

3.3 基礎滑移隔震系統

基礎滑移隔震系統的滑移層往往設置在基底,采用低摩擦材料(如砂礫、滑石、聚四氟乙烯等)。這種隔震系統沒有復位功能。主要應用在早期的隔震房屋和現在的臨時性房屋建筑結構中。

3.4 組合隔震系統

為了減小普通橡膠隔震支座在地震中較大的水平變位,通常使橡膠支座和阻尼器組合使用。通過安裝在非基底處的阻尼器來吸收震動能量抑制過大的變位,組合隔震系統的安裝示意圖見圖5。

目前國際上廣泛用于工程上的阻尼器有:鋼材阻尼器、粘性阻尼器、摩擦阻尼器和鉛阻尼器。

幾種阻尼器的特點如下:1)鋼材阻尼器:利用鋼材的彈塑性來吸收地震能量,特殊的鋼棒與特殊的軸承組合可開發出40 cm變形能力的高性能阻尼器。2)粘性阻尼器:利用粘性液體來抵抗吸收地震能量。這種阻尼器對中小地震是有效的。3)摩擦阻尼器由鋼板組成,又叫摩擦緩沖器。上下板固定在基礎上,中板固定在建筑物上。在地震力作用下,鋼板發生回轉運動,由于摩擦力的作用使相互間的運動受到抑制。4)鉛阻尼器:完全用鉛棒制成的阻尼器,可用來抑制較大變形,吸收地震能量。

4 房屋隔震技術展望

已有的研究多是隔震層位置設在基礎頂部,隨著樓房建筑高度的增加,對隔震層設在非基礎頂部的研究將是房屋隔震的一個研究方向。西安理工大學的張俊發教授就鉛芯橡膠支座在多層框架結構加層改造中的應用進行計算,分析了隔震層設在框架結構不同構造層的減震效果。

我國汶川地震和青海玉樹地震災害調查表明,很多倒塌的房屋是居民房,因此,提高居民建房時的抗震意識,推廣隔震技術在房屋建筑中的應用將是一個迫切的任務。

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

[2] 林 勇.基礎滑移隔震體系的地震反應譜研究[D].西安:西安建筑科技大學碩士論文,2006.

[3] 張俊發,劉云賀,田 杰.鉛芯橡膠支座應用于多層框架加層改造的減震研究[J].西安建筑科技大學學報,2000,32(2):139-142.

[4] 豐土根,劉漢龍.建筑隔震技術的研究現狀[J].水利水電科技進展,2000,20(1):27-29.