隔震技術(shù)減隔震之最

國內(nèi)最大隔震建筑——北京新機(jī)場

北京新機(jī)場的地下是快捷的軌道交通。飛速駛過的列車，會對航站樓造成影響。

北京新機(jī)場航站樓采用先進(jìn)的組合隔震技術(shù)，設(shè)置1232個橡膠隔震支座和彈性滑板支座，大幅度提高航站樓結(jié)構(gòu)的抗震性能。

新技術(shù)將有效降低底部軌道震動對上部結(jié)構(gòu)的影響，解決超大超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的技術(shù)難題。

由于該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，產(chǎn)品優(yōu)越、質(zhì)量可靠、技術(shù)成熟，1999年云南省建設(shè)廳下達(dá)了"關(guān)于在抗震設(shè)防區(qū)優(yōu)先采用我省生產(chǎn)的隔震橡膠支座的通知"文件（云建科[1999]第667號），并在省建設(shè)廳"十五"計劃中要求：在高設(shè)防烈度區(qū)，應(yīng)用隔震技術(shù)的新建建筑要達(dá)到總新建建筑的10%。國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001對隔震橡膠支座的應(yīng)用也作了具體規(guī)定。

從隔震技術(shù)應(yīng)用于建筑工程的實(shí)際效果來看，對于8度及其以上抗震設(shè)防區(qū)的高于六層建筑，應(yīng)用隔震技術(shù)后，設(shè)防烈度可降低2度，從而可以節(jié)約投資成本，10000平方米左右的9層建筑僅鋼筋就可以節(jié)約100多萬元的投資；同樣按規(guī)范設(shè)計的建筑，應(yīng)用隔震技術(shù)房屋設(shè)防目標(biāo)高，安全性明顯提高；對于政府首腦機(jī)關(guān)、高層商品房住宅、生命線工程、容易產(chǎn)生次生災(zāi)害的重要建設(shè)工程，應(yīng)用隔震技術(shù)可以提高建筑安全性；對于設(shè)有地下室的建筑，應(yīng)用隔震技術(shù)，其投資/效益比更加提高。

作為成熟的工程應(yīng)用技術(shù)，隔震技術(shù)已在國內(nèi)外包括美國、日本等發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用，世界最大的隔震建筑是美國舊金山國際機(jī)場。云南生產(chǎn)的隔震橡膠支座幾年來在云南建筑上已有44棟建筑物使用。用戶反映良好，在其附近地區(qū)發(fā)生地震時震感比周圍建筑明顯減少，沒有任何一個支座出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。麗江東大房地產(chǎn)開發(fā)有限公司擬建的麗江市".COM國際公寓"（雪山中路移動公司大樓北側(cè)）建設(shè)項(xiàng)目中也準(zhǔn)備應(yīng)用隔震橡膠支座技術(shù)。該技術(shù)由云南省地震工程研究院負(fù)責(zé)組織實(shí)施。

在我國，云南省是地震頻發(fā)的省份，也是建筑隔震技術(shù)運(yùn)用最為廣泛的省份。

云南省人民政府令第202號

《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》已經(jīng)2016年8月2日云南省人民政府第92次常務(wù)會議通過，現(xiàn)予公布，自2016年12月1日起施行。

實(shí)例1：1994年洛杉磯6.7級地震，31座醫(yī)院嚴(yán)重破壞，9座醫(yī)院局部破壞而疏散，USC University 醫(yī)院為地下1層，地上7層的隔震結(jié)構(gòu)，地震中絲毫未損，沒有一個花瓶摔下，醫(yī)院周圍建筑物普遍嚴(yán)重破壞，醫(yī)院屋內(nèi)人員竟然未意識到發(fā)生了強(qiáng)烈地震，各種設(shè)備未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為救災(zāi)中心，對震后緊急救援起到了十分重要的作用。而距離1公里外的洛杉磯中心醫(yī)院造成損失達(dá)3.89億美元。

實(shí)例2：1995年日本阪神7.2級地震中，有2幢隔震結(jié)構(gòu)建筑取得了地震觀測記錄。西部郵政大樓建筑面積46000平方米，6層，是日本最大的隔震建筑。地震記錄觀測地面1層水平方向的最大加速度只有基礎(chǔ)的1/3-1/4，該建筑震后完好，設(shè)備無損，在救災(zāi)中發(fā)揮了較大作用，隔震效果得到了充分發(fā)揮。Matsumura-Gumi 研究所大樓為3層隔震樓，該大樓和毗鄰的管理大樓為3層非隔震樓，兩棟都得到了地震觀測記錄。隔震樓1層最大加速度值比基礎(chǔ)減小，而非隔震樓屋面最大加速度比隔震樓大2-5倍。

實(shí)例三：1994年臺灣集集7.3級地震,汕頭市烈度為6度,種類房屋搖晃厲害，居民驚慌失措，水桶里的水濺出了1/3左右，而陵海路隔震樓上的人無震感，不知道地震發(fā)生。

實(shí)例四：1995年云南武定6.5級地震，地震發(fā)生時，大理震感強(qiáng)烈，而橡膠墊隔震建筑-大理州交通指揮中心大樓中的大多數(shù)人沒有感覺，不知道地震發(fā)生。

實(shí)例五：1996年，云南麗江發(fā)生7級強(qiáng)烈地震。西昌市國稅局宿舍樓為六層隔震樓。在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動，而相鄰的一幢常規(guī)抗震樓只有四層高，樓上居住的人搖晃十分厲害，驚慌失措往外逃跑。

實(shí)例六：2013年4月20日四川雅安發(fā)生7.0級地震以后，采用隔震技術(shù)修建的蘆山縣人民醫(yī)院外觀完整且受損較小引起人們關(guān)注，已然成為“樓堅(jiān)強(qiáng)”的代言人，它的秘密在于地基部分的“彈簧緩沖”。

由于我省地震頻度高、震級大、分布廣、災(zāi)害重，地震為全國平均水平的五倍，災(zāi)害損失約占全國的一半。1993年8月，和志強(qiáng)省長率省政府代表團(tuán)出訪馬來西亞，與馬方簽定合作意向書，聯(lián)合開發(fā)防震技術(shù)和材料。12月，"隔震橡膠支座開發(fā)研究"被列入云南省政府重點(diǎn)"八五"科技攻關(guān)項(xiàng)目，由云南省橡膠制品研究所、省地震工程研究院、省設(shè)計院、云南工業(yè)大學(xué)組成課題組進(jìn)行攻關(guān)研究。

"隔震橡膠支座開發(fā)研究"項(xiàng)目于1998年通過了省科委驗(yàn)收，達(dá)到國際先進(jìn)水平，1999年評為科技進(jìn)步三等獎，2000年課題組被評為建設(shè)部科技進(jìn)步先進(jìn)集體。橡膠支座具有1、豎向承載能力大，豎向極限承載力分別是甲、乙、丙三類建筑豎向平均壓應(yīng)力限值的10、12、14倍。支座破壞后其承載力仍可達(dá)極限承載力的58%。2、水平剛度大，控制位移能力強(qiáng)，解決高烈度區(qū)應(yīng)用難題。3、支座屈服剛度大，支座整體位移因豎向壓力導(dǎo)致的時變形較小。4、支座的耐老化性能好，使用壽命長，80年使用后仍可繼續(xù)使用。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是在建筑上部結(jié)構(gòu)與地基這間采用柔性連接，設(shè)置足夠安全的隔震系統(tǒng)，由于隔震層的"隔震"、"吸震"作用，地震時上部結(jié)構(gòu)作近似平動，結(jié)構(gòu)反應(yīng)急僅相當(dāng)于不隔震情況下的1/4-1/8（強(qiáng)震觀測結(jié)果可達(dá)1/2-1/16），從而"隔離"了地震，通俗地說：使用隔震技術(shù)的房屋經(jīng)歷8級地震的震動僅相當(dāng)于5.5級地不僅達(dá)到了減輕地震對上部結(jié)構(gòu)造成損壞的目的，而且建筑裝修及室內(nèi)設(shè)備也得到有效保護(hù)。在諸多隔震系統(tǒng)中，隔震橡膠支座是世界研究和應(yīng)用的主流，在美國、日本等多震國家廣泛應(yīng)用，云南省的昆明市、思茅、臨滄、版納等市州的部分高層建筑推廣應(yīng)用。

國內(nèi)外所有使用疊層橡膠支座隔震房屋，經(jīng)過多次強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)，隔震效果良好，抗震性能顯著。

1　基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

1．1　基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期階段

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(chǔ)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(fā)生滑動，以達(dá)到隔離地震的目的．

1921年，美國工程師F．L．萊特在設(shè)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(guān)東大地震發(fā)生，附近同類建筑毀壞嚴(yán)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(chǔ)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(jìn)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(chǔ)，但限于當(dāng)時的水平與條件，基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用未被很好地研究與開發(fā)．

1．2　基礎(chǔ)隔震技術(shù)的現(xiàn)代階段

隨著地震工程理論的逐步建立以及實(shí)際地震對結(jié)構(gòu)工程的進(jìn)一步考驗(yàn)，特別是近二三十年來，由于采用大量的強(qiáng)震記錄儀對地震進(jìn)行觀測，使人們較快地積累了有關(guān)隔震及非隔震結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)驗(yàn)，從而對早期提出的一些隔震方法進(jìn)行了淘汰與升華．其中疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系被認(rèn)為是隔震技術(shù)邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w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(wù)中心．1986年日本又建成一幢5層高技術(shù)中心樓，采用鉛芯橡膠墊．世界上大約有30多個國家在開展這方面的研究，這項(xiàng)技術(shù)已被應(yīng)用在橋梁、建筑，甚至是核設(shè)施上．世界上大約已建成了3100多幢基礎(chǔ)隔震建筑，其中80%以上采用的是疊層橡膠墊隔震系統(tǒng)[1]．

80年代以來，基礎(chǔ)隔震研究開始在我國得到重視，國內(nèi)不少學(xué)者對國際上流行的基礎(chǔ)隔震體系進(jìn)行了研究，取得了較大的進(jìn)展．現(xiàn)在，我國已建造了2000余幢各類基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)體系等，其中絕大多數(shù)采用的是粘結(jié)型疊層橡膠墊隔震體系．現(xiàn)代隔震技術(shù)經(jīng)歷了30年的歷程，得到了廣泛的應(yīng)用，隔震技術(shù)的應(yīng)用程度在日本等國家，已經(jīng)成為建筑的主導(dǎo)；我國將在2008年（在應(yīng)用面積上）首次超過日本。

2　疊層橡膠墊體系的隔震原理

對建筑物地震反應(yīng)有重要影響的主要因素有兩個：一個是結(jié)構(gòu)的周期，一個是阻尼比．普通非隔震中低層建筑物的剛度大、周期短，其基本周期正好在地震輸入能量最大的頻段上．因此相應(yīng)的加速度反應(yīng)比地面運(yùn)動放大得多，而位移反應(yīng)卻較小．如果延長建筑物的周期，而保持阻尼不變，則加速度反應(yīng)被大大降低，但位移反應(yīng)卻有所增加．如果繼續(xù)加大結(jié)構(gòu)的阻尼，加速度反應(yīng)則繼續(xù)減弱，且位移反應(yīng)也得到明顯降低．這就是說，通過延長結(jié)構(gòu)的周期并給予較大的阻尼，就可使結(jié)構(gòu)上的加速度反應(yīng)大大降低．同時，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較大位移可由上部結(jié)構(gòu)底部和基礎(chǔ)頂部之間設(shè)置的隔震層來提供，而不由上部結(jié)構(gòu)自身的相對位移來承擔(dān)．這樣，上部結(jié)構(gòu)在地震過程中就會發(fā)生接近平移的運(yùn)動，大大提高了上部結(jié)構(gòu)的安全度．

疊層橡膠墊基礎(chǔ)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，便于施工．

3　疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的性能評價

在諸多基礎(chǔ)隔震體系中，通過大量的實(shí)驗(yàn)和研究，根據(jù)國際上對隔震體系的評價標(biāo)準(zhǔn)，疊層橡膠墊隔震體系有下面一些性能優(yōu)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(shè)計值可達(dá)數(shù)千噸，極限承載力可達(dá)上萬噸．

2) 該體系的隔震層具有穩(wěn)定的彈性復(fù)位功能，能在多次地震中自動瞬時復(fù)位．這是摩擦滑移隔震體系所完全不能相比的．

3) 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(chǎn)品試件的各類性能測試，其使用壽命在60～80年[2]．最近日本曾將一幢使用了10年之久的疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震樓中的隔震器更換下來進(jìn)行各類性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其各類指標(biāo)與10年前相比，幾乎沒有什么變化．

4) 隔震效果明顯，其加速度反應(yīng)大大低于非隔震結(jié)構(gòu)，且理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合．如日本東京一幢22.8 m高的鋼筋混凝土基礎(chǔ)隔震樓，在1987年12月17日千葉近海發(fā)生的6.7級地震中，實(shí)測地面加速度為43.8 cm/s2，而樓頂?shù)淖畲蠹铀俣葍H為11.9 cm/s2．在疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系課題的研究過程中，通過對4種不同類型結(jié)構(gòu)隔震體系的分析與計算，可看出抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，若采用疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系，上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度可降低1～2度，且有較大的安全儲量．

5) 與其它隔震體系相比，隔震器受地基不均勻沉降的影響并不十分明顯，且構(gòu)造簡單、安裝方便，傳力方式簡單明確．

盡管疊層橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)有諸多明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在研究過程中發(fā)現(xiàn)，該體系在動力性能方面要求相當(dāng)嚴(yán)格，不論從設(shè)計還是到施工，都與傳統(tǒng)的非隔震結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別．為了保證分析與計算結(jié)果的可靠性，分別采用4條途徑分析了不同類型的4種結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)：

1) 疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動力特性，不但隨結(jié)構(gòu)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(guān)系．因此，在設(shè)計時不但要對其進(jìn)行專門的概念設(shè)計，而且應(yīng)從多角度進(jìn)行動力分析，合理、準(zhǔn)確地把握其動力響應(yīng)，才能保證做出安全、可靠的設(shè)計．

2) 在隔震結(jié)構(gòu)中，為了真正實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)與地面的“隔離”，還需注意一些關(guān)鍵部位的構(gòu)造處理．如底層樓梯與主體結(jié)構(gòu)的隔離處理，上下水、煤氣、供暖及配電管道穿越隔震層時的柔性化問題等，有一方面疏忽都會在地震中帶來巨大的災(zāi)難．

3) 除此之外，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的隔震層對施工的要求是比較嚴(yán)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度，以確保地震時隔震層能發(fā)生水平位移并瞬時復(fù)位．

4　結(jié)論

1) 由于疊層橡膠墊隔震體系具有豎向承載力大、彈性復(fù)位功能強(qiáng)、隔震效果明顯等性能優(yōu)勢，因此在設(shè)計中，對傳統(tǒng)樓房的高度限值和安全距離等限制條件均可適當(dāng)放寬．

2) 研究結(jié)果表明，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度可降低1～2度，且仍有較大的安全儲量．

3) 雖然隔震體系要增加一層隔震層，似乎造價有所增高．但隨上部結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度的降低而節(jié)約的造價，可用于建造隔震層．因此，對整個隔震建筑的工程造價來說，和同類非隔震建筑相比，造價會在—5~ 5之間浮動．如果把建筑物全壽命及地震時建筑結(jié)構(gòu)的破壞、內(nèi)部財產(chǎn)的損失、人員傷亡以及建筑物損壞造成的停工停產(chǎn)所帶來的損失加起來，該基礎(chǔ)隔震體系的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分巨大，是一種極具推廣和應(yīng)用的新技術(shù)．

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