我國建筑物減震隔震研究現狀與發展

吳世躍

(西山煤電集團公司官地礦)

我國建筑物減震隔震研究現狀與發展

吳世躍①

(西山煤電集團公司官地礦)

闡述了建筑物減震隔震的研究現狀及特點,在論述了基礎滑移隔震技術基本原理的基礎上,針對目前國內外常見的幾種滑移隔震裝置的特點進行了分析和總結,介紹了我國滑移隔震的應用情況及隔震構造。根據我國滑移隔震技術研究和應用情況,從理論分析和工程應用等方面進行了綜述,表明滑移隔震技術是一種具有很大發展潛力的結構減震形式。應加大研究和技術開發力度,對技術成熟的滑移隔震裝置編制相應的行業規范和標準,以利于工程應用。

建筑結構;摩擦;滑移;隔震;現狀;研究;應用;發展

2008年5月12日四川汶川發生8.0級地震,根據地震災區的信息披露表明,汶川大地震中的人員傷亡,大部分是因為工廠、辦公樓、學校、住宅等房屋倒塌造成的,由此可以看出,隨著我國城鎮化建設發展,城鎮聚集的人口密度也在隨之上升。因此,汶川大地震的警示之一,就是應當更加關注建筑物減震隔震的研究應用。

在抗震防災中,傳統方法還是停留在“堵”上,即通過提高結構承載力和延性來抗御地震;而采用“疏”的辦法則是近年的事,也就是將地震運動輸入的能量部分轉移到隔震元件或減震構件上。

目前,房屋抵抗倒塌主要依靠結構自身的累積耗能和損壞來實現。隨著社會進步,即使能減少地震中人員的傷亡,但由結構破壞造成的直接和間接經濟損失及其引發的次生災害變得日益嚴重和難以承受,它極大地妨礙著社會發展。近20年來,世界上逐漸轉向結構減震隔震的研究應用,已取得較好進展。試驗研究表明,通過適當的減震控制措施,在地震中特別是“大震”作用下,結構的地震作用可大大降低,能有效防御地震災害。在地震工程中,走抗震與減震相結合的道路,將是今后的發展趨勢。

1 結構滑移隔震的概念

國內外采用的隔震措施可分為兩類:橡膠墊支座隔震和滑移隔震。前者一般為多層橡膠之間夾以薄鋼板,中央加鉛芯。這種結構能加長房屋自振周期,使其遠離地震波特征周期,減小地震作用,并具自動復位功能。后者是在基礎或層間等部位設置低摩擦的滑移元件和限位件等,通過相對滑移運動和摩擦耗能而有效限制地震能量向上部傳遞和向下部反饋。該方法受力可靠,造價不斷降低,施工難度不大,并可考慮鋼件的防銹、損壞更換問題,但需設置復位機構。

根據滑移支座設置位置,滑移隔震可分為基礎滑移隔震和層間滑移隔震。關于基礎滑移隔震,最早是由日本學者河合浩藏于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,再在混凝土基礎上蓋房,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年關東大地震發生,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,但限于當時的水平與條件,基礎隔震技術的應用未被很好地研究與開發。實際震害中出現過因基礎設有油氈防潮層產生水平剪切縫導致上部結構滑移而保存的震例。這些啟發了人們對滑移隔震的研究。

隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結構工程的進一步考驗,特別是近20～30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隔震及非隔震結構工作性能的定量化經驗,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隔震體系被認為是隔震技術邁向實用化最卓有成效的體系。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·圣丁司法事務中心。1986年,日本又建成一幢5層高技術中心樓,采用鉛芯橡膠墊。1994年1月17日,在美國發生的洛杉磯地震,震級為6.7級,傷亡超過7 000人,損失很大。大多數醫院因建筑內部設備損壞而失去使用功能。與此相反,USC University醫院是一個地下1層、地上7層的隔震建筑。地震中該建筑內的各種儀器設備均未損壞,甚至花瓶也沒有一個掉下來。該醫院起到了救護中心的作用,減少了地震損失。之后的1995年1月17日,日本阪神發生了7.2級地震,是日本戰后最大的地震災害。地震又一次考驗了基礎隔震建筑。震區內有兩棟基礎隔震建筑,一個為郵政樓,一個是研究所。同樣神奇的是,基礎隔震建筑不僅結構保持完好無損,內部設施也完全正常。基礎隔震技術在地震中的卓越表現,大大推動了這一技術的研究應用。

目前,世界上大約有30多個國家在開展這方面的研究,這項技術已被應用在橋梁、建筑,甚至是核設施上。截止目前,世界上大約已建成了3 100多幢基礎隔震建筑,其中80%以上采用的是疊層橡膠墊隔震系統。20世紀80年代以來,基礎隔震研究開始在我國得到重視,國內不少學者對國際上流行的基礎隔震體系進行了研究,取得了較大的進展。1993年我國在8度區設計建造了7層滑移隔磚房,并進行了油壓千斤頂水平滑移試驗,取得成功,將我國基礎滑移隔震的研究應用向前推進了一步。現在,中國人民解放軍83235部隊科技樓、宿遷市勞動局綜合樓、邯鄲市釜山房地產開發公司住宅樓等2 000余幢各類基礎隔震體系的建筑物已建成。我國已建造了2 000余幢各類基礎隔震體系的建筑物,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、懸掛隔震結構體系等,其中絕大多數采用的是粘結型疊層橡膠墊隔震體系。現代隔震技術經歷了30年的歷程,得到了廣泛的應用,目前隔震技術的應用程度在日本等國家,已經成為建筑的主導;我國在2008年(應用面積)首次超過日本。

2 滑移隔震的理論和試驗研究

1)剛體隔震。對隔震建筑物,當自震周期很小(如0.1 s以下)時,可將被隔震體當作剛體考慮。剛體由相對支承體靜止到開始滑動的充要條件是剛體慣性力大于最大靜摩擦力;而滑動到停止滑動的充要條件是慣性力不大于動摩擦力且相對滑動速度為0。據此,剛體的滑移反應可由滑移運動方程用數值積分法得到。研究表明:

a)摩擦作為一種阻尼,同樣也使滑移反應滯后于輸入波。b)當輸入周期波的幅值足夠大時,產生正反交替的斷續滑動以至連續滑動,其間,剛體最大加速度介于fdg和fsg之間(其中fd為滑移面動摩擦系數,fs是最大靜摩擦系數,g是重力加速度),且基本不受輸入波特性影響。c)滑移量直接受摩擦性能和輸入波特性影響。地震波能引起滑移的脈沖數多少、脈沖面積及波的平穩性大小等均影響滑移反應及其殘余量。

2)單質點體系隔震。當結構基本周期較長(如大于0.1 s),相對于輸入波有較顯著彈性特征時,其動力反應對滑移支承有明顯的彈性反饋作用,同時支座滑移又顯著影響上部反應。而且滑動時動力反應特征有較大變化,故與剛體隔震運動規律有很大差別。另外由于摩擦滑移的存在,使振動體系成為阻尼非線性和半定體系。我國已做了一定的理論和試驗研究。分析中一般采用集中質量的剪切模型,有的還考慮了平扭耦連的影響。滑移判別原則對單質點體系與剛體類同,一般根據兩種狀態的運動方程,用逐步積分法分析滑移反應。

單質點體系的下列特點值得注意:

a)當底部輸入波幅較小時,支座無滑移,上部反應與底部固定時相同。b)當輸入加速峰值超過,fsg/β(β為底部固定時放大系數)以后,開始滑移。而質點最大反應加速度則為fdg疊加某些高頻衰減振動。因而起始滑動與峰值、頻譜(或者說與場地特征有關,而滑移中最大加速度反應則僅與摩擦面有關,且不存在共振問題,故與剛體比較,既有相似之處,又有截然不同的特點。

3)隔震結構抗傾覆穩定。滑移隔震結構由于在支座處上下斷開,極易產生傾覆失穩問題。若無附加抗傾覆措施,地震下的抗傾覆力矩只有自重來提供。一個判斷結構能否保證絕對不傾覆的準則是地震傾覆力矩不大于抗傾覆力矩。其中靠自重抗傾覆穩定(或者說抗搖擺振動)的判別條件為r≥fSH。(r為結構重心到支座外緣的水平距離,H0為地震作用合力到滑移支座的豎向距離)。當該條件不滿足時,則應采取附加措施對支座或上部結構進行抗傾覆設計。

3 滑移隔震裝置

滑移元件是隔震支座的關鍵裝置,一方面它承受上部結構的全部重力荷載,故要求有足夠的豎向承載力;另一方面為了有效隔震,最重要的是必須有較低的摩擦系數。此外滑移件還需有一定的自由滑動范圍以滿足滑移量要求。

常見的滑移件基本上由上、下鋼承板和中部滑移板(或涂層)組成。單面滑移件,中部滑板(或涂層)常貼焊(或粘涂)在上、下承板上,因而只有一個滑移摩擦面。另外在滑移件上部或下部可設置橡膠薄層以減小轉動影響并可有豎向緩沖減震作用。摩擦面材料很多,如柔性石墨涂層、聚四氟乙烯板或其涂層,復合聚四氟乙烯以及不銹鋼板等。這些材料性能各異,其中摩擦系數及其離散性能穩定性及豎向承載能力是性能優劣的重要標志,有些摩擦系數可達0.07以下,另外上、下承板除用鋼板外,還可考慮用高強混凝土、鋼纖維混凝土和環氧砂漿等,其優點是不會銹蝕,維護費低,耐久性好。

此外,骨移支座也有以面接觸為特征的滑移縫,如砂粒滑移縫、水泥砂漿—油氈滑移縫等。

另一種輔助裝置為限位耗能元件。它不承受豎載,在水平荷載下起限位及保證風載下穩定作用,并可耗能。彈塑性限位件常見有變截面鋼桿、“U”形熱軋鋼板等,其滯回曲線飽滿,制作施工方便,造價低,另外還有扭轉梁、液壓阻尼器以及用橡膠墊承受少量豎載并限位者。有的將滑移和限位功能一體化。國外資料中剛性限位裝置也被采用。

4 滑移隔震的應用

隔震房屋的設計應用主要是滑移支座和限位件設計。若滑移摩擦足夠低,還可突破現抗震規范(GBJll-89)有關層數等限制的條款。其中,西安8度抗震設防區的7層大開間(7.8 m×6.0 m)基礎隔震磚房則為典型實例。

較有發展前途的基礎滑移縫是采用在有限個“點”處設置滑移支承。原因在于節省材料便于檢修,當地基不均勻沉降時有可能保持各處滑移面各自水平。一般把滑移縫設于基礎頂部、室內外地坪之間,或設于地下室樓蓋下部。滑移縫上下設圈梁或框架梁、梁板體系等,形成平面內剛度很大或整體性很好的傳力層和持力層。這樣,上部將結構地震水平剪力經分配調整傳遞到各滑移件,使支座各點一致滑動,同時將墻體自重以墻梁形式傳遞到滑移件上;而下部則承受各滑移支座的集中豎載和水平荷載并傳遞到基礎中去。

滑移件設計選用時,其摩擦材料及摩擦系數應滿足隔震設防要求,并應進行滑移量及豎向承載力設計,確定型號數量。支座點位置應按自重分布情況布置。一般設于縱橫墻交接處、外墻四角、框架柱下端、長墻段或大跨梁中部及其它受力復雜處。滑移件和限位件宜分開設置,以便于設計和檢修。

在滑移隔震工程中,施工完畢時部分工程的整體水平滑移檢驗和震后殘余滑移量的人工復位是兩個重要的、人們關心的問題,具有直觀意義。

對底部框架上設滑移縫的層間隔震結構,我國正開始著手研究開發,具有較好發展前途。對高寬比較大的高聳結構,當在滑移縫外自重抗傾覆不能滿足時,還須作附加抗傾覆設計。其構造可有多種,但原則為只抗傾覆,不妨礙滑移,一種較好的做法是柔性錨固。其中彈簧墊的存在能夠產生一定的踏步式減震和消能。

需特別指出的是,采用滑移隔震的建筑物,其隔震設計必須首先確保“小震不壞”的基本設防原則。在強震作用下本文提議以“大震復位易修”的設防目標進行設計。即隔震結構在遭遇高于本地區設防烈度的、預估的罕遇地震影響時,除滑移縫外,一般不受損壞,經復位或隔震裝置的檢修更換及其它的一般修理仍可繼續使用。關于滑移隔震結構的地震可靠度,由于隔震效果顯著使得地震作用及隨機性大大減小,從而其可靠度較非隔震減震結構的可靠度(特別是“大震”下)有較大提高,目標地震可靠指標有望增大,在一定條件下,可使地震設防區結構層數限值提高。

5 結 論

對滑移隔震技術,國內外已做了較多工作,我國也正積極大膽嘗試應用,這是令人欣慰的。然而尚待深入研究的問題還很多,比如,性能優良的低摩擦材料的研制,支座鋼件的防銹維護代替材料的開發,結構模型的振動臺模擬地震檢驗,地基不均勻沉降時支座的自適應調節,層間隔震結構的研究,設計規程編制和軟件開發等。總的來說,人們比較普遍關注擔心的問題是實際隔震中強地震作用下工作性能究竟如何?這有待已有和新建隔震房屋經受實際地震考驗。

隨著人們認識的加深和社會發展,走抗震與減震相結合的道路是發展的必然趨勢。滑移隔震技術的優勢是大提高了“大震”下的結構可靠性,并在地震設防區尤其是高烈度區可突破非減震時的層數等限制,不失為一個超規范研究的方向,其發展前景是廣闊的。目前該技術推廣的主要障礙是造價問題。若其它因素不變,只增設滑移裝置,其造價比原造價約增加10%～15%。我國是個多地震的國家,若采取有關措施(如降低隔震裝置成本、提高建筑效益或挖掘其它方面潛力等),使造價降到5%以下,則對面廣量大的多高層砌體或底部框架結構在高烈度區推廣這一技術是適合國情的,將會有效減輕地震破壞和倒塌,滑移隔震技術也將得以迅速發展。

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[3] 李 立,劉德馨.建筑物的滑動隔震[M].北京:地震出版社,1991:60-69.

Research Current Situation and Development on Shock Absorption and Seismic Isolation of Building in Our Country

Wu Shi-yue

Expounds research current situation and characteristics of shock absorption and seismic isolation of building,discusses the basic principles of foundation sliding seismic isolation technique,in connection with the characteristics of common several sliding seismic isolation devices currently in domestic and foreign carries out analyzing and summary,introduces the application of our sliding and base-isolated structure.According to research and application of China’s sliding seismic isolation technology,from the theoretical analysis and engineering application areas are reviewed,indicates that sliding seismic isolation technology is the structural shock absorption form with great development potential.Should increase the vigor of research and technology development,work out the corresponding industry specifications and standards to sliding seismic isolation devices of technology mature,facilitate engineering applications.

Buildingstructure;Friction;Slip;Seismic isolation;Currentsituation;Research; Application;Development

book=3,ebook=88

TD22

A

1672-0652(2010)03-0045-04

2010-01-20

吳世躍 男 1979年出生 2002年畢業于大同職業技術學院 助理工程師 太原 030022