隔震體系研究與應用現狀綜述

錢曉旭 彭 陽

(1.南京大學金陵學院，江蘇 南京 210000； 2.東風設計研究院有限公司，江蘇 南京 210009)

隔震體系研究與應用現狀綜述

錢曉旭1彭 陽2

(1.南京大學金陵學院，江蘇 南京 210000； 2.東風設計研究院有限公司，江蘇 南京 210009)

通過對比分析采用傳統抗震方法設計的建筑結構與基礎設有隔震體系的建筑結構，指出了基礎隔震體系的優勢，并對國內外多種基礎隔震技術的發展與應用現狀進行了研究，得出復合隔震體系具有推廣應用價值的結論。

隔震體系，地震，建筑結構，優勢

1 概述

地震是由地球內部的構造發生運動而突然發生并隨之會產生災難性后果的自然現象[1,2]。依據統計，全世界發生地震的次數約為500萬次/年[3]。相對而言，這么多次的地震中能產生震感的地震數量是相對較少的，而震級較大的地震所占比例極小： 震級不小于6級的地震次數占每年總發生次數約0.004‰[4]；而8級以上的平均1次/年～2次/年[5]。按照地震發生時所在的地理位置和周圍的環境可將地震分為兩類：板塊邊緣地震和板塊內地震，建筑物的抗震主要是針對板塊內部產生的地震[6]。我國位于世界主要的兩大地震帶上，全球絕大部分地震都來自于此。由我國的地理位置環境可以看出大部分城市都處于地震區范圍之內，因此我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一。據統計，我國發生震級在5級以上地震每年平均約30次左右；1900年以后，我國范圍內除黔、浙、港外其他所有的省、市共計發生約800次6級以上的地震。可以看出，地震在我國發生較為頻繁、同時震級較大而且分布范圍廣。同時，地震帶來的后果除了人員的傷亡、建筑物的損害，然后就是經濟的損失，例如唐山大地震造成約百億元的經濟損失；2008年的汶川大地震直接經濟損失也相當高，這兩次巨大地震都在瞬間使一個人口眾多的工業城市化為烏有。通過對震后的現場調查統計：直接震害中的建筑物倒塌和間接震害中的次生災害使人員傷亡和財產設備損失[7]。設置隔震、減震裝置的結構體系卻能在地震中不致損壞[8]。在地震中，包含隔震、減震裝置的建筑，其結構本身以及內部設施甚至是裝修都未發生損害。而我國的隔震體系的形式和應用也在不斷的研發和完善。

5·12汶川8級地震中，除汶川，北川，映秀等主要震區外，地震也波及到了甘肅省隴南、天水、甘南等地，依據地震的記錄顯示，甘肅隴南的武都區和成縣的加速度的峰值分別為170 gal，130 gal。武都區北山郵政局職工住宅為6層磚混隔震結構，由武都縣隔震建筑調研報告中所述，該縣采用傳統抗震設計的建筑物在震后出現了墻體內外粉刷層開裂、脫落；另一棟沒有隔震、減震裝置的5層磚混結構住宅的內部設備、家電也產生了較為嚴重的損壞(見圖1)，村鎮的房屋甚至有倒塌的現象。但是采用隔震裝置的磚混住宅在此次地震中，卻基本完好(見圖2)，內部家具、廚具和懸掛的裝飾物均無翻倒現象，墻體上也無地震引發的裂縫；在5·12汶川大地震后，人們開始意識到傳統的抗震體系的抗震性能不如隔震建筑的抗震性能。

結構隔震體系是具有合理性、有效性、安全性、經濟性特點的一種減震結構。隔震體系革新了傳統結構采用“強化”設計結構的單一途徑,轉而采用“軟化”的方法使結構達到“以柔克剛”的效果，以此來作為隔離地震的新途徑[9]。與按傳統抗震方法設計的結構相比，采用基礎隔震體系的建筑結構擁有以下優越性：1)較大程度的降低上部房屋結構產生的地震反應；2)在地震發生時,上部結構在隔震元件的作用下仍處于正常的彈性工作狀態；3)房屋建造成本沒有較大的增加；4)在上部結構的建筑設計中，如平面、立面、體形等，可以自由的發揮不受隔震元件的布置限制[10]。因此基礎隔震技術比較適合我國這樣一個地震頻發的發展中國家。

2 隔震技術發展和研究概況

2.1 國外隔震技術發展和研究概況

追溯起基礎隔震作為一種防護地震的思想，可從1406年明成祖永樂年間所修建的紫禁城開始。當時的紫禁城采用“煮過的糯米石灰膏”作為地基以此作為地震防護的措施。據文獻記載，將基礎隔震作為一個概念最早是由日本人河合浩藏提出來的[11]。1881年，他提出了將縱向和橫向圓木交疊放置作為隔震層，地震能量通過隔震層后將有所降低，這樣上部結構所受的作用效應將減小的方案[12]。縱觀基礎隔震發展的歷史：1906年，德國人J.Beehtofd提出將“滾球”應用于基礎來達到隔震的效果的方法，并建議用此方法確保建筑物安全[13]。1909年，英國人J.A.Calantarients提出了通過將建筑物的上部結構與基礎分隔開，將交接面做成可以滑動的隔震層形式[14]，地震時，上部結構與基礎間將產生位移，從而保證上部結構的安全。1923年日本關東大地震后，山下興象獲得抗震專利，其主要是將隔震層做成了滑動的形式[12]；鬼頭健三郎的方案是將隔震層做成球體的形式，這樣在地震作用下既可以隔震又能在震后使隔震裝置復位，這個方案使其獲得了“建筑物抗震裝置”的專利[3]。在此之后，中村太郎發現隔震裝置都是通過耗散地震能量，減小建筑物本身所受的作用效應來達到抗震的目的。他提出了另一種耗能的形式，即用阻尼器來耗能的方案。阻尼器可以安裝在建筑物上，在1927年中村也將該種阻尼器用在了一棟7層的建筑。此后，岡隆一又提出將柱底設計成半徑很大的球面安裝于基礎板上，柱的上端軸線中心與該柱底球面中心重合，形成底部為球鉸形式的柱。而柱底的球鉸的連接部分利用摩擦力來增加建筑物的阻尼并達到良好抗風的效果的方案。此種“隔震基礎”的方案在1923年獲得了專利，并應用到了東京市3棟不同的建筑中[15]，達到很好的抗震性能。1933年，美國人先提出“柔弱底層”的減震構想[8]。1934年，日本的真島健三郎[15]提出了類似“柔弱底層”的構想，結構形式與“雞腿”形狀類似，故稱為“雞腿式”結構隔震方案。1969年，天然橡膠墊塊率先應用到了建筑物中，一棟位于南斯拉夫的斯克比市地區的3層鋼筋混凝土框架教學樓采用天然橡膠墊塊作為隔震基礎建成。蘇聯克里米亞[16]在1978年建造了一棟7層試驗示范樓，其采用的是橢圓形剛球來隔震，而該建筑在10年后的地震中，發揮了理想的隔震效果。20世紀70年代初，為了能使橡膠支座性能更加的可靠同時又經濟實用，新西蘭的科技人員將鉛芯加入進了疊層橡膠支座中，該技術將隔震支座推入了實用性的領域。在1984年，世界上首棟采用鉛芯橡膠隔震支座的建筑物在新西蘭建造[8]完成。如今，研究“基礎隔震”應用的國家已將近三十多個。

2.2 國內隔震技術發展和研究概況

我國隔震技術的研究是從1960年以后開始，冶金部建筑研究院的李立教授在1980年以后將隔震技術應用于實際工程，該隔震建筑中的隔震元件是以砂礫作為摩擦材料的滑移隔震建筑。在我國隔震建筑研究的初期，結合我國當時的綜合國情以及經濟條件，關于隔震體系的研究主要是以摩擦滑移隔震為主。樓永林等人在1988年研究了應用石墨作為滑移材料應用于減震縫中的隔震體系的性能，并給出了不同材料作為滑移材料的相關結論和理論分析研究結果[17]。到了90年代，橡膠支座作為隔震元件成為了隔震研究的重點。周錫元[18]和周福霖[19]、呂西林[20-22]、唐家祥等人是我國最早研究橡膠隔震支座的學者，他們對橡膠隔震支座的相關理論進行研究并研發了應用于工程的產品、隨后提出了將隔震支座應用于結構的設計和分析方法，并結合實際隔震結構進行模型振動臺試驗，結合這一系列的理論研究和不斷地完善，唐家祥等編著了我國第一部建筑隔震專著《建筑隔震基礎隔震》，由于有著系統的研究，使我國的橡膠隔震有了較為成熟的理論和技術。而在實際的地震考驗中，由周福霖院士等人于1993年在汕頭市建成的某8層隔震框架建筑[6,9]，經受住了次年9月16日發生的臺灣海峽7.3級地震的考驗，其主要的隔震元件是高阻尼橡膠隔震支座。在隨后的時間里，我國已建成了很多建筑仍是以橡膠支座作為隔震元件，應用較多的建筑物多以辦公樓和醫院為主，但該隔震體系的建筑的造價相對較高。因此，結合我國的國情，需要尋找新的隔震體系，使其能夠滿足隔震性能的同時又能夠降低建造成本。東南大學抗震減震中心設計了不同性質的隔震支座以并聯形式組合的復合隔震體系，并已將其應用于宿遷某綜合樓和徐州某小區住宅樓中[23]，以及南京工業大學設計的位于宿遷的隔震建筑，經過分析研究說明并聯復合隔震體系既能很好的發揮隔震效能又能降低經濟成本[24]。現今，我國對于滑移隔震體系以及復合隔震體系的研究和推廣應用相對較少[25]。通過實際工程和現有的發展趨勢，尋找一種能夠大力推廣同時又能有較高性價比的隔震體系是至關重要的。

3 結語

在5·12地震中，因為隔震建筑在地震中性能表現良好，而且具有很多顯而易見的優點，使得其受到了人們的高度重視。縱觀基礎隔震技術的發展，應用較多的隔震元件是以疊層橡膠支座為主，但該隔震體系的性價比較差。而相較之而言，復合隔震體系和滑移隔震體系因具有較好的性價比，比較適合我國的基本國情。隔震體系的關鍵裝置便是隔震元件，滑移隔震體系的關鍵裝置就是摩擦滑移支座[26]；復合隔震體系的關鍵裝置就是兩種進行組合的隔震支座，一般多采用滑移隔震支座與橡膠支座組合[27]。在我國，橡膠支座的研究以及工程實踐較多，而摩擦滑移支座的工程實踐還不夠成熟。因此對復合隔震體系的工程應用和推廣仍值得進一步的研究。

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Currentstudyandapplicationofbase-isolationsystem

QIANXiao-xu1PENGYang2

(1.JinlingCollege,NanjingUniversity,Nanjing210000,China; 2.DongfengDesignResearchInstituteCo.,Ltd,Nanjing210009,China)

According to the comparison and analysis of the buildings with the traditional anti-seismic method design and the one with base-isolation system, the paper points out the advantages of the latter one, researches the development and the application of the various base-isolation systems at home and abroad, and concludes the system has broad development in future.

base-isolation system, earthquake, architectural structure, advantages

1009-6825(2014)14-0050-03

2014-03-02

錢曉旭(1985- )，女，碩士； 彭 陽(1986- )，男，碩士

TU352.1

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