建筑物基礎隔震

1 基礎隔震技術的發(fā)展與現狀

1.1 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，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(fā)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(fā)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(fā).

1.2 基礎隔震技術的現代階段

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.

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.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3100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[1].

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.現在，我國已建造了2000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;我國將在2008年(在應用面積上)首次超過日本。

2 疊層橡膠墊體系的隔震原理

對建筑物地震反應有重要影響的主要因素有兩個:一個是結構的周期，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.因此相應的加速度反應比地面運動放大得多，而位移反應卻較小，如圖中A點所示.如果延長建筑物的周期，而保持阻尼不變，則加速度反應被大大降低，但位移反應卻有所增加，如圖中B點所示.如果繼續(xù)加大結構的阻尼，加速度反應則繼續(xù)減弱，且位移反應也得到明顯降低，如圖中C點.這就是說，通過延長結構的周期并給予較大的阻尼，就可使結構上的加速度反應大大降低.同時，對結構產生的較大位移可由上部結構底部和基礎頂部之間設置的隔震層來提供，而不由上部結構自身的相對位移來承擔.這樣，上部結構在地震過程中就會發(fā)生接近平移的運動，大大提高了上部結構的安全度.

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，便于施工.

3 疊層橡膠墊基礎隔震體系的性能評價

在諸多基礎隔震體系中，通過大量的實驗和研究，根據國際上對隔震體系的評價標準，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計值可達數千噸，極限承載力可達上萬噸.

2) 該體系的隔震層具有穩(wěn)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隔震樓中的隔震器更換下來進行各類性能測試，結果發(fā)現，其各類指標與10年前相比，幾乎沒有什么變化.

4) 隔震效果明顯，其加速度反應大大低于非隔震結構，且理論分析結果與實驗結果比較吻合.如日本東京一幢22.8 m高的鋼筋混凝土基礎隔震樓，在1987年12月17日千葉近海發(fā)生的6.7級地震中，實測地面加速度為43.8 cm/s2，而樓頂的最大加速度僅為11.9 cm/s2.在疊層橡膠墊基礎隔震體系課題的研究過程中，通過對4種不同類型結構隔震體系的分析與計算，可看出抗震設防烈度為8度的地區(qū)，若采用疊層橡膠墊基礎隔震體系，上部結構的設防烈度可降低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構有諸多明顯的優(yōu)點，但在研究過程中發(fā)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(qū)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4種結構體系的動力響應，發(fā)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) 在隔震結構中，為了真正實現上部結構與地面的"隔離"，還需注意一些關鍵部位的構造處理.如底層樓梯與主體結構的隔離處理，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難.

3) 除此之外，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度，以確保地震時隔震層能發(fā)生水平位移并瞬時復位.

4 結論

1) 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(yōu)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.

2) 研究結果表明，疊層橡膠墊基礎隔震體系上部結構的設防烈度可降低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.但隨上部結構設防烈度的降低而節(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構的破壞、內部財產的損失、人員傷亡以及建筑物損壞造成的停工停產所帶來的損失加起來，該基礎隔震體系的經濟效益和社會效益十分巨大，是一種極具推廣和應用的新技術.

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