隔震技術發展綜述

張家駿

(廣州大學土木工程學院 廣東 廣州 5100006)

一、引言

地震川是一種具有強烈毀滅性的自然災害，強烈得可以地動山搖，山崩地烈。同時地震又具有突發性，直到科學發達的今天，我們仍然無法對地震進行預測。強烈的地震會給人類的生命、財產安全帶來巨大的威脅。我國處于太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，是世界上發生地震最多的國家之一，從1900年以年，我國發生的7.0級以上地震就近20次，造成45萬人死亡以及無法估量的經濟損失。2008年5月12日發生在四川省汶川縣的8.0級大地震，造成了8.8萬人的死亡或失蹤，8000多億人民幣的直接經濟損失，其傷亡人數之眾多，建筑結構破壞、倒塌之嚴重讓全世界為之震驚。

在過去的20世紀[1]，人們對地震的預測和防御做了大量的研究，特別是1906年美國舊金山地震和1923年日本關東地震后，各國學者提出了各種抗震設計觀點。總的說來，結構抗震體系經歷了三個階段的演變，即剛性結構體系、柔性結構體系和目前的延性結構體系。最早提出的剛度結構體系是通過增加結構構件的強度，提高結構的承載力達到抵抗地震的效果。由于結構固定在地面上，增加結構剛度，在地震作用下結構反應也會增加，進而需要更大的構件截面和配筋率，如此便會進入一個惡性循環。因此，人們又提出了柔性結構體系，即減小結構的剛度以達到減小地震作用的效果。但這樣做的結果卻是結構可能在地震作用下變形過大而發生破壞。

因此，到了第三階段研究者提出了延性結構體系，其抗震原理是能過增加結構的剛度來抵抗小震，而對于大地震是通過結構的彈塑性變形來吸收傳到結構的地震能量，同時要求結構不發生嚴重的破壞，達到結構不倒的目的。這是目前國內外普遍采用的抗震方法。

傳統抗震設計方法[2]以“小震不壞，中震可修，大震不倒”作為設防標準。但是當地震烈度達到一定程度以后，這種抗震結構體系就會十分不經濟，同時可能不能滿足安全性能的要求。隨著社會的發展，一些建筑物的抗震性能要求越來越高，如醫院、實驗室、通訊中心，這些建筑內配備的高靈敏度、高價值的設備是越來越多。在中等的地震作用下而，這些設備儀器就可能無法正常地使用，在稍高的水平加速度作用下，就可能發生不可修復的破壞。又如在博物館和圖書館中有一些非常珍貴的文物和書籍，如果建筑物上部運動過大都很容易將這些物品損壞，這都是我們不想看到的。

因此，為了解決傳統抗震設計的不足，尋求既安全，適用、經濟的結構體系各國科研人員和工程技術人員相繼進行了大量研究，隔震結構體系也就應運而生。其原理是在建筑中設置小剛度的隔震層，地震中隔震層產生較大的變形而耗能掉大部分地震能量，僅有一少部分傳到上部結構，從而降低上部結構的地震作用，提高其安全性。隔震結構體系的提出，適時地滿足了人類的需求，為人類與地震的抗爭提出了一條新的思路。

二、國外隔震技術研究現狀

基礎隔震概念[3][4]最早于1881年由日本學者河合浩藏提出，他提出在地基上并排鋪設數層圓木，將它們稍許固定，再在上面打水泥混凝土，建造建筑物。這是一種初級的隔震結構體系構思。1909年，英國醫生J.A.Calantarients在美國提出了在建筑物結構與基礎之間用滑石粉隔開的隔震結構方案。

1921年[3]，第一座采用基礎隔震思想的建筑東京帝國飯店建成，由設計師FL·萊特設計。該建筑的地基下有淤泥層，淤泥層上部為2.5米厚的硬土層，設計師創造性地以地基中淤泥層直接作為結構的隔震層。在1923年的日本關東大地震中，該建筑經受住了地震的考驗，幾乎沒有受到損傷。因此，在日本關東大地震后，1924年，日本也開始有隔震結構專利，這其中有鬼頭三健郎的“建筑物抗震裝置”專利和山下興象的“結構物抗震裝置”專利。1965[1]年，第三次世界地震工程會議在新西蘭的召開，日本學者松下清夫與和泉正哲在會議上提出以搖動球裝置進行隔震，這是首次提出以解析法論證構造。

現在在隔震結構廣泛使用的橡膠支座最早使用的是在南斯拉夫于1969年由瑞士人設計建成的一座小學中，但由于當時的技術以及支座的設計不合理，該建筑的基礎隔震并不成功。隨著美國學者[1]kely和Eidinger在1978年提出了疊層橡膠支座的設計以及1985年高阻尼橡膠支座的首次投入使用，標志著隔震技術發展進入了一個嶄新的時期。對隔震技術的快速發展，美國、新西蘭、日本等國家功不可沒，大量的研究人員投入精力到隔震技術研究中，對基礎隔震技術進行了系統的理論分析和試驗。

由于采用橡膠隔震支座的隔震建筑在1994年的美國洛杉磯地震和1995日本阪神地震中表現出優秀的隔震效果，隔震技術引起了廣泛的關注和重視。特別是在日本，阪神地震后的一年時間，日本新建的隔震建筑超過了歷史總和。到2009年，日本建成的隔震建筑超過3800棟。

三、國內隔震技術研究現狀

我國對隔震技術的研究及應運相對較晚。國內開始基礎隔震理論的研究是在1966年，李立教授[1]研究了以砂礫層作為摩擦材料的可行性。國內隔震技術應用于實際工程是在80年代。1983年，西安市建筑開發公司稅國在大理和西安主持建造了移塊隔震房屋。1986年，劉德馨、曾國霖等主持建成了以墨沙礫滑移層作為隔震層的隔震房屋。

由于當時經濟發展落后，造價低廉的砌體結構在很長一段時間占據了我國建筑行業的主體地位，在隔震結構研究的早期，主要以這種結構為研究對象。在上世紀80年代，隔震技術研究主要以低造價材料的摩擦滑移隔震為主，內容包括選材、分析方法、模型試驗等。

1987年，國家地震工程局力學研究[5]所對采用基礎隔震的多層磚混模型進行了振動臺試驗，試驗表明采用基礎隔震技術可以有效地降低多層建筑的地震反應。天津大學張曉臨和宋秉澤教授研究了多層隔震結構的滑移和搖擺問題，并進行了輸入正弦波的振動臺模型實驗。郭春雨、龔思禮對基底滑動摩擦隔震建筑在同時受到水平和豎直雙向地震作用時的結構反應進行了分析，張作運對該結構的水平搖擺及水平一扭轉耦連的振動情況進行了分析。

從1985年開始，遼寧省建筑科學研究院樓水林等對各種不同摩擦材料進行試驗，最后確定以石墨增滑劑為滑移材料的隔震體系，并結合工程應用，提出了相應的配套措施和技術要求到了80年代后期，我國科研人員開始關注橡膠支座技術。到20世紀90年代橡膠支座隔震技術在我國得到了迅速發展，并逐步推廣運用。

唐家祥、周福霖、劉文光、周錫元、劉季、施衛星等[6]在90年代都作了大量的研究工作。其中，唐家祥對橡膠支座隔震元件和體系進行了理論和試驗分析，率先自主開發了橡膠支座產品。周福霖為國內隔震技術的發展和工程應用做了較大貢獻，指導建成了我國第一家專業的橡膠支座生產廠家，對橡膠支座隔震框架進行振動臺試驗和大量的常用橡膠隔震支座的試驗，出版了《工程結構減震控制》一書。周錫元等對橡膠支座的穩定性和臨界荷載、橡膠支座及其與柱串聯系統的水平剛度計算方法、橡膠支座的限位與保護、計算設計方法等進行了深入的理論和試驗研究。

到本世紀初，隔震技術被寫入《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)，標志著我國隔震技術進入成熟應用階段。