淺述房屋基礎隔震技術的應用

岑 巍

0 引言

震驚世界的“5?12”汶川大地震發生后,作為成都鐵路局鐵路房屋災后調查活動成員,作者參加了成都鐵路沿線房屋的災后調查工作。處于三條支線末端的什邡、綿竹、都江堰均屬于此次地震的重災區,房屋受地震影響破壞程度非常嚴重,并通過現場調查,對各種類型不同結構的房屋地震破壞特征有了非常直觀的了解,對地震的破壞機理有了一定的認識。此次地震給災區鐵路房屋設備帶來的嚴重破壞及對鐵路職工生產生活造成的影響讓人觸目驚心,作為鐵路房屋的管理者,如何提高房屋的抗震性能,減小房屋地震災害損失成為當前必須思考的問題。作者根據本次房屋震害調查情況的一點啟示,從房屋抗震措施改進方面,就如何利用房屋基礎隔震技術,提高房屋抗震性能提出自己的一點見解。

1 廣木線穿心店站貨運樓的震害特征及原因分析

在成都鐵路局房屋震害現場調查過程中,廣木線穿心店站的貨運樓引起了大家的特別關注,因其周圍房屋已嚴重開裂、基本倒塌,但該房屋上部結構卻完好無損。在對其震害情況進行了仔細勘察后發現,該房主體結構向后傾斜,傾斜度達1/150,基礎圈梁下部磚砌體嚴重開裂、錯位(見圖1),上部整體結構未發現裂縫,剔除房屋基礎磚砌體裝飾層后發現房屋抗震構造柱未伸入室外地面下。鐵路沿線的生產生活房屋基本上為多層磚混結構,雖然房屋的受損害程度隨房屋的層數、平面布置、高寬比、朝向等因素的不同而各有所異,但破壞特征都有一個共同點,就是處于重災區的這些磚混房屋上部主體結構均嚴重開裂甚至倒塌,為什么這棟房屋的上部結構完好無損,為什么它的震害特征和其他房屋不一樣,帶著這些疑問,作者首先對該房屋的修建情況進行了了解,該房為兩層磚混結構,竣工于2006年,6度設防,平面呈矩形分布,處于斜度為30°的坡地上,采取了設置構造柱和圈梁等抗震措施,基礎為毛石混凝土條基,地圈梁置于室內地面標高,地圈梁與毛石混凝土基礎之間(室內外高差部分)為磚砌體,構造柱從地圈梁開始錨固。其次,對該房屋的地震破壞機理進行了分析推測,該房屋竣工時間短,采取了抗震設計,因此地圈梁以上主體結構規則、整體性好、剛度大、抗震能力強。但該房構造柱從地圈梁開始錨固,未伸入地下基礎內,從而削弱了地面至地圈梁部分磚基礎的整體性及抗震能力,在地圈梁下部磚砌體部位形成了水平的抗震薄弱環,當地震發生時,薄弱環吸收了大部分的地震能量而嚴重破壞,再加上該房屋建于坡地上,地基發生偏移沉降也吸收了部分能量,因此傳至上部主體結構的地震能量已經很小,結構震動和位移變形很輕微,也就不會出現墻體開裂等通常的震害特征。

為了證明上述推理的正確性,作者查閱了國內房屋抗震研究的相關文獻資料,其中的混凝土結構基礎隔震設計技術原理能較好地解釋和應證這種推理。其中,國家現行GB 50011-2001建筑抗震設計規范已正式納入了基礎隔震技術,對混凝土結構隔震設計技術作出了相應的規定。下面就房屋基礎隔震技術設計的原理及當前研究應用情況進行簡要的介紹。

2 房屋基礎隔震技術抗震原理及基本要求

房屋基礎隔震技術的原理就是通過水平剛度低且具有一定阻尼的隔震器將上部結構與基礎或底部結構之間實現柔性連接,使輸入上部結構的地震能量加速度大為降低,并由此大幅地提高房屋結構對強烈地震的防御能力。

房屋基礎隔震體系包括上部結構、隔震器(裝置)和下部結構三部分,隔震體系應滿足以下基本要求:

1)基礎隔震裝置應具有一定的阻尼和消能能力,以保證體系在地震時具有的工作性能。2)基礎隔震裝置必須具有足夠的豎向承載力,能夠安全支撐上部結構的所有荷載,確保房屋結構在使用狀態下的絕對安全并滿足使用要求。3)基礎隔震裝置應具有可變的水平剛度。在強風或微小地震時,隔震器應具有足夠高的水平剛度,使上部結構發生的水平位移極小而不影響使用要求。在中等強度地震下,其水平剛度將逐漸變小,使原本剛性的抗震結構體系變為柔性隔震結構體系,其固有周期大大延長而遠離場地的特征周期,從而明顯地降低上部結構的地震反應。4)基礎隔震裝置應具有水平彈性恢復力,使房屋隔震結構體系在地震中具有自動復位功能,由此滿足震后房屋結構的使用功能要求。

3 房屋基礎隔震技術的優越性

1)明顯有效地減輕結構的地震反應,提高了地震時結構的安全。國內外大量試驗數據和工程經驗表明:基礎隔震一般可以使結構的水平地震加速度反應降低60%左右,上部結構的地震反應僅相當于不隔震情況下的1/8～1/4。地震時房屋上部結構的地震反應類似于剛體平動,結構的震動和變形均可控制在較輕微的水平,從而使房屋內部設備的安全得到更可靠的保證。2)地震防護措施簡單明了?；A隔震設計把非線性,大變形集中到了隔震裝置這一特殊的構件上,從考慮整個結構復雜的、不甚明確的抗震措施轉換為只考慮隔震裝置,這樣就可以把設計、試驗、制造的注意力集中到這些構件上。由于上部主體結構近似于彈性變形狀態,結構分析的方法也可以簡化;同時,在地震后,只需對隔震裝置進行檢查更換,而無需過多地考慮房屋結構本身的修復。3)具有較大經濟效益和社會效益。雖然采用基礎隔震技術會增加基建投資(約5%),但上部結構抗震措施標準降低會節省建筑的總造價。從已建造的采用基礎隔震技術的房屋得知,多層基礎隔震房屋比傳統抗震房屋節省土建造價:7度節省1%～3%,8度節省5%～15%,9度節省10%～20%。如果將地震災害的潛在綜合損失考慮進去(包括結構、建筑、設備財產以及建筑物中斷使用帶來的損失),基礎隔震房屋具有更高的經濟和社會效益。4)大幅度降低地震時內部非結構構件和裝飾物的震動、移動和翻倒的可能性,從而大大減輕了次生災害的危害。

4 基礎隔震技術的應用及前景

基礎隔震技術經過理論分析、試驗研究、工程試點、經濟分析,其有效性得到了驗證,技術也日益完善與成熟。在國際上,日、美等發達國家已于1985年先后提出了結構隔震設計指南和規范草本。我國現行GB 50011-2001建筑抗震設計規范也已正式納入了隔震技術。據了解,我國應用基礎隔震技術建造的房屋設備已達數百萬平方米,涉及生命工程線、民用建筑、古建筑加固等?；A隔震技術適用面很廣,既能應用于低層或高層的建筑,也可用于已建建筑的抗震加固;既能用于重要房屋,也可用于一般房屋,尤其適用于量大面廣的中、低層磚混房屋和鋼筋混凝土房屋。基礎隔震技術具有廣闊的應用前景。

總之,基礎隔震技術在保證建筑物具有更高安全可靠度的同時,其直接和間接的經濟效益、社會效益也是非常巨大的。通過工程試點,基礎隔震在地震中減輕建筑物地震反應和損害的表現非常出色,此次汶川地震穿心店站的貨運樓便是最好的實踐證明。鐵路是國家的經濟命脈,鐵路沿線的生產房屋內安裝大量昂貴的精密設備,特別是“五所二室”房屋更是對鐵路的正常運行提供了非常重要的保障作用,為了減輕地震災害給鐵路運輸帶來的損失,作為鐵路房屋的建設者和管理者,應盡快將這種基礎隔震先進技術應用于今后的新建建筑及已建房屋的加固工作中去。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[2] 谷達偉.隔震施工技術在工程中的應用[J].山西建筑,2008,34(12):82-83.

[3] 陳龍珠,陳曉寶,黃 真.混凝土結構防災技術[M].北京:化學工業出版社,2006:39-88.