隔 震 技 術 在 基 礎 中 的 應 用

謝 美

(江蘇省宜興中等專業學校，江蘇宜興214206)

地震是一種危害極大的隨機性的自然災害，人類在長期抗爭的歷史過程中不斷的總結經驗。傳統的抗震設計考慮彈塑性設計方法，采用增加強度的方法來抵御地震，在地震作用下結構本身可以發生破壞，但是不至于倒塌，以達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計理念。然而地震加速度是沿著結構的高度呈三角形狀增大，在地震荷載的作用下，通過采用增加強度的方法，結構本身可以有效地防止破壞，但是在加速度的影響下，結構空間內部的設備可能遭到損壞。

目前國內外普遍采用傳統的抗震技術的基礎上提出了新的設計理念——結構控制理論，基礎隔震就是結構被動控制理論中一種。

所謂的基礎隔震，就是在建筑物的上部結構和基礎頂面之間設置一層可靠的隔震層，使上部結構與基礎分離，地震時基礎可以有很大的運動，但隔震裝置的變形阻隔地震波的向上部結構的傳播，結構可以有相對較小的運動，結構的動力變形也大大減小，從而保護結構免遭地震的破壞。

1 基礎隔震技術的發展與現狀

基礎隔震技術的早期階段，基礎隔震概念最早是由日本學者河合浩藏于1881年提出的，他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。

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，特別是近二三十年來，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。

現在，我國已建造了40余幢各類基礎隔震體系的建筑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。

2 基礎隔震結構的隔震機理

圖1 單點結構動力模型

式中：Ra為質點的地震加速度反應與地面地震加速度之比。令ψ=ω/ωn，可以作出Ra和ψ之間的關系圖，如圖2示。

圖2 Ra和頻率比之間的關系

從圖中可以看出, 圖中8條曲線有一個交點, 對應的點是Ra=1,ω/ωn=1.4142。

(1)當ω/ωn>1.414 2時，Ra<1。阻尼比對結構的加速度反應影響比較小，同時ω/ωn越大，Ra越小。

(2)當ω/ωn<1.414 2時，Ra>1。阻尼比對結構的加速度反應影響比較大，結構的地震加速度反應被放大。一般的建筑結構處于這個范圍內。

(3)當ω/ωn趨近于1.0時，Ra≥1。結構與場地共振。地震反應可達到很大值，將導致結構的嚴重破壞或倒塌。

(4)ξ越小，結構的地震加速度反應越大。

這款機械手能夠精準地識別炸藥條的位置并對它進行準確的分揀，關鍵是靠安裝在系統前端的兩個獨立攝像頭來進行識別，通過控制系統對兩個攝像頭所采集的信息進行處理，在三維空間對產品的坐標進行定位，然后將數據送至PLC控制機構。當PLC接收到兩個攝像頭送來的輸入信號后，根據定位信息，判斷工件位置，然后發出指令，控制命令首先到達PLC的輸出單元，然后由輸出單元直接將控制命令送至步進驅動器，再由步進驅動器控制步進電機按照命令程序來動作，從而準確的抓取工件，并將其放至合適的位置。

圖3 基礎隔震結構

3 基礎隔震體系分類

3.1 滾子(珠)隔震體系

滾軸隔震裝置是1966年日本人松下清夫提出的一項專利，該裝置是在基礎與上部結構之間設置上、下兩層彼此垂直的滾軸，滾軸在橢圓形的弧溝槽內滾動，因而該裝置具有自動復位的能力。墨西哥工程師弗洛利斯設計了一種滾球裝置，已安裝在墨西哥城的一幢五層鋼筋混凝土框架結構的教學樓的柱腳處，隔震器由兩層直徑500 mm的鋼盤構成，中間裝置100～400個直徑為0.97 cm 的鋼珠，油盤潤滑，外套密封塑料防塵罩，允許位移可達12 cm(圖4)。蘇聯克里米亞的塞瓦斯托波爾也建成一幢以橢圓形鋼球為支承的隔震試驗樓，7層鋼筋混凝土結構，自振周期為3 s，比按傳統作法的結構提高6倍，已經受了1977年的地震考驗。

圖4 滾子(珠)隔震體系

3.2 懸吊式隔震體系

1959年，蘇聯在阿什哈德建成了世界上第一幢采用基礎懸吊隔震的3層磚混樓房。整個建筑物的基礎，用鋼桿懸吊在地下室框架的橫梁上。該樓房經過1966年塔什干地震考驗，居民甚至感覺不到震感，該樓房可在10度地震作用下保證安全。法國有一棟學生宿舍，每三層做為一個單元，懸掛在3個巨大的門式鋼架上，這種做法可以降低動力反應2～3.5倍。西德慕尼黑BMW公司辦公大樓共19層，高度96 m，全部體系通過四根直徑90 cm的預應力鋼筋混凝土吊桿，懸掛在鋼筋混凝土內筒之上。我國唐山陡河電站兩臺400 t/h鍋爐，也是懸掛在多層鋼筋混凝土框架上的。唐山地震后，框架結構本身震害很輕，僅需簡單修復即可使用，而其他非懸吊設備的框架毀壞嚴重。

3.3 彈性支承式隔震體系

在結構物底部安裝橡膠墊塊的作法，最早是以防震為目的的。1964年,英國倫敦譫姆期公園建成了一幢用橡膠墊防振的公寓樓，以期減輕附近地鐵造成的振動影響。所用橡膠塊厚20～30 cm，實測表明，在3～30 Hz范圍內，它使樓房的振動反應降到不設膠墊時的1/3～1/5。伯明翰彩色電視播音室的墻底，也安裝了厚2.5 cm的橡膠石棉墊塊，以減輕附近火車站和公路車輛重量的影響。

4 基礎隔震新技術：疊層橡膠墊基礎隔震體系

橡膠支座隔震是通過增加橡膠支座，使整個結構的自震周期延長，以減輕上部結構的地震反應。一般在建筑物的底部設置橡膠支座，利用橡膠的水平柔性形成一道柔性的隔層，并減少能量的向上傳播，不僅可以保證了結構的整體安全，并可以有效的防止建筑物的內部裝修、室內設備的損壞和由此引發的次生災害。

疊層橡膠墊基礎隔震體系的隔震層是由若干個隔震器所組成。隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。這種隔震體系的周期長、阻尼比大，隔震效果明顯。尤其采用后兩種隔震器，不需再另外附加阻尼器，在諸多的抗震試驗中，發現疊層橡膠墊基礎隔震有以下的優勢：

(1)該體系的豎向承載力大，一般單個的隔震器豎向承載力設計值可達數千，極限承載可以達到上萬噸以上。

(2)該體系的隔震層具有穩定的彈性復位功能，能在多次地震中自動瞬時復位。這是摩擦滑移隔震。

(4)隔震器的耐久性好，抗低周疲勞性能、抗熱空氣老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均較好。通過對產品試件的各類性能測試，其使用壽命在60～80年。最近日本曾將一幢使用了10年之久的疊層橡膠墊基礎隔震樓中的隔震器更換下來進行各類性能測試，結果發現，其各類指標與10年前相比，幾乎沒有什么變化。

盡管疊層橡膠墊隔震結構有諸多明顯的優點，但在研究過程中發現，該體系在動力性能方面要求相當嚴格，不論從設計還是到施工，都與傳統的非隔震結構有很大的區別。為了保證分析與計算結果的可靠性，分別采用4條途徑分析了不同類型的四種結構體系的動力響應，發現：

(1)疊層橡膠墊基礎隔震結構的動力特性，不但隨結構體系的類型不同而變化，而且與隔震器安裝位置的不同也有很大關系。因此，在設計時不但要對其進行專門的概念設計，而且應從多角度進行動力分析，合理、準確地把握其動力響應，才能保證做出安全、可靠的設計。

(2)疊層橡膠墊基礎隔震體系的隔震層對施工的要求是比較嚴格的。隔震層的位移不能受任何原因的干擾和約束，施工時不能損傷隔震器及其附件，并要求隔震器安置有較高的水平，以確保地震時隔震層能發生水平位移并瞬時復位。

(3)由于疊層橡膠墊隔震體系具有豎向承載力大、彈性復位功能強、隔震效果明顯等性能優勢，因此在設計中，對傳統樓房的高度限值和安全距離等限制條件均可適當放寬。

5 工程應用實例分析

1992年2月2日日本東京灣地震,震級5.9，東京離震中23 km，震度5度(相當于我國烈度7度左右)。離震中58 km外兩幢同樣結構的三層鋼筋混凝土住宅，一幢基礎隔震結構(夾層橡膠墊隔震)，一幢非隔震結構(傳統結構)。地震記錄分析：隔震結構的水平加速度反應(即結構總水平地震作用值)為傳統結構的1/5～1/4；層間地震剪切作用值為傳統結構的1/16；豎向震動加速度反應僅為傳統結構的69 %；傳統結構的振型為從下至上不斷增大的“放大型”,而隔震結構的振型為“整體平動型”。

而對于日本板神大地震中，西部郵政大樓地震記錄的分析和松村研究所兩幢對比樓地震記錄的分析;美國北嶺地震中南加州大學醫院大樓地震記錄的分析以及經受中國臺灣海峽地震考驗的汕頭隔震樓的分析等都得出相一致的結論:隔震結構可以明顯有效地減輕結構的地震反應，從而能非常有效地保護結構物及內部設備在強地震沖擊下免遭破壞。

基礎隔震結構旨在依靠限制而非抵抗地震作用來保護結構不受地震的破壞。隔震限制地震作用力，因為柔性基礎使結構與水平地面運動在很大程度上解除了耦聯關系，結構的反應加速度一般要比地面加速度小，阻尼裝置消耗了輸入地震動的能量，使傳遞到隔震結構上的作用力進一步減小。

由于采用基礎隔震結構上部結構地震作用減小，能夠確保安全而且抗震措施簡單明了，對上部結構的建筑設計的限制較小，震后只需簡單修復甚至無需修復。

6 基礎隔震體系發展前景及存在問題

對于基礎隔震體系來說夾層橡膠墊應用技術較成熟，基礎隔震理論與技術取得了顯著的進步，基礎隔震體系的減震效果比較明顯，具有廣泛的應用前景。現階段隔震技術的研究趨勢：(1)隔震系統的研究開發向多樣化發展，即兩種或多種隔震方法組合運用，力求揚長避短，這是以后防震研究的重點；(2)隔震系統的維護保養和耐久性的研究；(3)研制各種造價低、穩定可靠、施工方便、低成本的隔震裝置系統，并推廣運用；(4)隔震技術在高層中的運用；(5)強震作用下的地震反應和控制規律的研究；(6)多維地震控制技術的研究，研究能控制一維、二維、三維及扭轉震動的技術。日本三維減震系統已研制成功，但我國還處在研究階段，基礎隔震技術還存在一些不足：(1)目前夾層橡膠隔震支座對一般的建筑物僅考慮水平隔震，對豎向地震幾乎沒有顯著的減震作用，對一些大跨度和長懸臂結構，豎向地震作用影響會很大。(2)由于地震荷載作用在建筑結構上時并非水平的，而是以一定的入射角作用在結構上，將會對結構產生較大的偏心扭矩作用，涉及這方面研究內容較少。(3)夾層橡膠隔震系統在豎向有很強的承載力，但抗拉能力較弱。當一些高寬比較大、形狀不規則的隔震建筑物，在遭遇地震作用時，產生的傾覆、扭轉力矩會引起較大的柱子拉力，這種拉力將破壞隔震層，從而限制了隔震技術的應用范圍。(4)由于沒有充分考慮隔震層的非線性，引起試驗值與工程應用的實際值誤差較大，對基礎隔震體系難以精確的數學模型比較困難，需要對于這種非線性復雜系統進行有效的分析。

[1] 周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社,1997

[2] 丁文鏡.減震理論[M].北京：清華大學出版社，1988

[3] 周云.土木工程防災減災學[M].廣州：華南理工大學出版社，2002