我国建筑物减震隔震研究现状与发展

吴世跃

(西山煤电集团公司官地矿)

我国建筑物减震隔震研究现状与发展

吴世跃①

(西山煤电集团公司官地矿)

阐述了建筑物减震隔震的研究现状及特点,在论述了基础滑移隔震技术基本原理的基础上,针对目前国内外常见的几种滑移隔震装置的特点进行了分析和总结,介绍了我国滑移隔震的应用情况及隔震构造。根据我国滑移隔震技术研究和应用情况,从理论分析和工程应用等方面进行了综述,表明滑移隔震技术是一种具有很大发展潜力的结构减震形式。应加大研究和技术开发力度,对技术成熟的滑移隔震装置编制相应的行业规范和标准,以利于工程应用。

建筑结构;摩擦;滑移;隔震;现状;研究;应用;发展

2008年5月12日四川汶川发生8.0级地震,根据地震灾区的信息披露表明,汶川大地震中的人员伤亡,大部分是因为工厂、办公楼、学校、住宅等房屋倒塌造成的,由此可以看出,随着我国城镇化建设发展,城镇聚集的人口密度也在随之上升。因此,汶川大地震的警示之一,就是应当更加关注建筑物减震隔震的研究应用。

在抗震防灾中,传统方法还是停留在“堵”上,即通过提高结构承载力和延性来抗御地震;而采用“疏”的办法则是近年的事,也就是将地震运动输入的能量部分转移到隔震元件或减震构件上。

目前,房屋抵抗倒塌主要依靠结构自身的累积耗能和损坏来实现。随着社会进步,即使能减少地震中人员的伤亡,但由结构破坏造成的直接和间接经济损失及其引发的次生灾害变得日益严重和难以承受,它极大地妨碍着社会发展。近20年来,世界上逐渐转向结构减震隔震的研究应用,已取得较好进展。试验研究表明,通过适当的减震控制措施,在地震中特别是“大震”作用下,结构的地震作用可大大降低,能有效防御地震灾害。在地震工程中,走抗震与减震相结合的道路,将是今后的发展趋势。

1 结构滑移隔震的概念

国内外采用的隔震措施可分为两类:橡胶垫支座隔震和滑移隔震。前者一般为多层橡胶之间夹以薄钢板,中央加铅芯。这种结构能加长房屋自振周期,使其远离地震波特征周期,减小地震作用,并具自动复位功能。后者是在基础或层间等部位设置低摩擦的滑移元件和限位件等,通过相对滑移运动和摩擦耗能而有效限制地震能量向上部传递和向下部反馈。该方法受力可靠,造价不断降低,施工难度不大,并可考虑钢件的防锈、损坏更换问题,但需设置复位机构。

根据滑移支座设置位置,滑移隔震可分为基础滑移隔震和层间滑移隔震。关于基础滑移隔震,最早是由日本学者河合浩藏于1881年提出的,认为先在地基上纵横交错放置几层圆木,圆木上做混凝土基础,再在混凝土基础上盖房,以削弱地震传递的能量。1909年,美国的J·A·卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案,即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母,这样地震时建筑物会发生滑动,以达到隔离地震的目的。1921年,美国工程师F·L·莱特在设计日本东京帝国饭店时,有意用密集的短桩穿过表层硬土,直接插到软泥土层底部,利用软泥土层作为隔震层。1923年关东大地震发生,附近同类建筑毁坏严重,但这个建筑却保持完好。1924年,日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案。1927年,日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置,在隔震理论方面进行了有益的探索。在这一阶段,虽然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理论基础,但限于当时的水平与条件,基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发。实际震害中出现过因基础设有油毡防潮层产生水平剪切缝导致上部结构滑移而保存的震例。这些启发了人们对滑移隔震的研究。

随着地震工程理论的逐步建立以及实际地震对结构工程的进一步考验,特别是近20～30年来,由于采用大量的强震记录仪对地震进行观测,使人们较快地积累了有关隔震及非隔震结构工作性能的定量化经验,从而对早期提出的一些隔震方法进行了淘汰与升华。其中叠层橡胶垫基础隔震体系被认为是隔震技术迈向实用化最卓有成效的体系。1984年,新西兰建造了世界上第一幢以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物。1985年,美国建成第一座4层的叠层橡胶垫隔震大楼加州·圣丁司法事务中心。1986年,日本又建成一幢5层高技术中心楼,采用铅芯橡胶垫。1994年1月17日,在美国发生的洛杉矶地震,震级为6.7级,伤亡超过7 000人,损失很大。大多数医院因建筑内部设备损坏而失去使用功能。与此相反,USC University医院是一个地下1层、地上7层的隔震建筑。地震中该建筑内的各种仪器设备均未损坏,甚至花瓶也没有一个掉下来。该医院起到了救护中心的作用,减少了地震损失。之后的1995年1月17日,日本阪神发生了7.2级地震,是日本战后最大的地震灾害。地震又一次考验了基础隔震建筑。震区内有两栋基础隔震建筑,一个为邮政楼,一个是研究所。同样神奇的是,基础隔震建筑不仅结构保持完好无损,内部设施也完全正常。基础隔震技术在地震中的卓越表现,大大推动了这一技术的研究应用。

目前,世界上大约有30多个国家在开展这方面的研究,这项技术已被应用在桥梁、建筑,甚至是核设施上。截止目前,世界上大约已建成了3 100多幢基础隔震建筑,其中80%以上采用的是叠层橡胶垫隔震系统。20世纪80年代以来,基础隔震研究开始在我国得到重视,国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了研究,取得了较大的进展。1993年我国在8度区设计建造了7层滑移隔砖房,并进行了油压千斤顶水平滑移试验,取得成功,将我国基础滑移隔震的研究应用向前推进了一步。现在,中国人民解放军83235部队科技楼、宿迁市劳动局综合楼、邯郸市釜山房地产开发公司住宅楼等2 000余幢各类基础隔震体系的建筑物已建成。我国已建造了2 000余幢各类基础隔震体系的建筑物,有叠层橡胶垫隔震体系、砂垫层滑移摩擦体系、石墨砂浆滑移体系、悬挂隔震结构体系等,其中绝大多数采用的是粘结型叠层橡胶垫隔震体系。现代隔震技术经历了30年的历程,得到了广泛的应用,目前隔震技术的应用程度在日本等国家,已经成为建筑的主导;我国在2008年(应用面积)首次超过日本。

2 滑移隔震的理论和试验研究

1)刚体隔震。对隔震建筑物,当自震周期很小(如0.1 s以下)时,可将被隔震体当作刚体考虑。刚体由相对支承体静止到开始滑动的充要条件是刚体惯性力大于最大静摩擦力;而滑动到停止滑动的充要条件是惯性力不大于动摩擦力且相对滑动速度为0。据此,刚体的滑移反应可由滑移运动方程用数值积分法得到。研究表明:

a)摩擦作为一种阻尼,同样也使滑移反应滞后于输入波。b)当输入周期波的幅值足够大时,产生正反交替的断续滑动以至连续滑动,其间,刚体最大加速度介于fdg和fsg之间(其中fd为滑移面动摩擦系数,fs是最大静摩擦系数,g是重力加速度),且基本不受输入波特性影响。c)滑移量直接受摩擦性能和输入波特性影响。地震波能引起滑移的脉冲数多少、脉冲面积及波的平稳性大小等均影响滑移反应及其残余量。

2)单质点体系隔震。当结构基本周期较长(如大于0.1 s),相对于输入波有较显著弹性特征时,其动力反应对滑移支承有明显的弹性反馈作用,同时支座滑移又显著影响上部反应。而且滑动时动力反应特征有较大变化,故与刚体隔震运动规律有很大差别。另外由于摩擦滑移的存在,使振动体系成为阻尼非线性和半定体系。我国已做了一定的理论和试验研究。分析中一般采用集中质量的剪切模型,有的还考虑了平扭耦连的影响。滑移判别原则对单质点体系与刚体类同,一般根据两种状态的运动方程,用逐步积分法分析滑移反应。

单质点体系的下列特点值得注意:

a)当底部输入波幅较小时,支座无滑移,上部反应与底部固定时相同。b)当输入加速峰值超过,fsg/β(β为底部固定时放大系数)以后,开始滑移。而质点最大反应加速度则为fdg叠加某些高频衰减振动。因而起始滑动与峰值、频谱(或者说与场地特征有关,而滑移中最大加速度反应则仅与摩擦面有关,且不存在共振问题,故与刚体比较,既有相似之处,又有截然不同的特点。

3)隔震结构抗倾覆稳定。滑移隔震结构由于在支座处上下断开,极易产生倾覆失稳问题。若无附加抗倾覆措施,地震下的抗倾覆力矩只有自重来提供。一个判断结构能否保证绝对不倾覆的准则是地震倾覆力矩不大于抗倾覆力矩。其中靠自重抗倾覆稳定(或者说抗摇摆振动)的判别条件为r≥fSH。(r为结构重心到支座外缘的水平距离,H0为地震作用合力到滑移支座的竖向距离)。当该条件不满足时,则应采取附加措施对支座或上部结构进行抗倾覆设计。

3 滑移隔震装置

滑移元件是隔震支座的关键装置,一方面它承受上部结构的全部重力荷载,故要求有足够的竖向承载力;另一方面为了有效隔震,最重要的是必须有较低的摩擦系数。此外滑移件还需有一定的自由滑动范围以满足滑移量要求。

常见的滑移件基本上由上、下钢承板和中部滑移板(或涂层)组成。单面滑移件,中部滑板(或涂层)常贴焊(或粘涂)在上、下承板上,因而只有一个滑移摩擦面。另外在滑移件上部或下部可设置橡胶薄层以减小转动影响并可有竖向缓冲减震作用。摩擦面材料很多,如柔性石墨涂层、聚四氟乙烯板或其涂层,复合聚四氟乙烯以及不锈钢板等。这些材料性能各异,其中摩擦系数及其离散性能稳定性及竖向承载能力是性能优劣的重要标志,有些摩擦系数可达0.07以下,另外上、下承板除用钢板外,还可考虑用高强混凝土、钢纤维混凝土和环氧砂浆等,其优点是不会锈蚀,维护费低,耐久性好。

此外,骨移支座也有以面接触为特征的滑移缝,如砂粒滑移缝、水泥砂浆—油毡滑移缝等。

另一种辅助装置为限位耗能元件。它不承受竖载,在水平荷载下起限位及保证风载下稳定作用,并可耗能。弹塑性限位件常见有变截面钢杆、“U”形热轧钢板等,其滞回曲线饱满,制作施工方便,造价低,另外还有扭转梁、液压阻尼器以及用橡胶垫承受少量竖载并限位者。有的将滑移和限位功能一体化。国外资料中刚性限位装置也被采用。

4 滑移隔震的应用

隔震房屋的设计应用主要是滑移支座和限位件设计。若滑移摩擦足够低,还可突破现抗震规范(GBJll-89)有关层数等限制的条款。其中,西安8度抗震设防区的7层大开间(7.8 m×6.0 m)基础隔震砖房则为典型实例。

较有发展前途的基础滑移缝是采用在有限个“点”处设置滑移支承。原因在于节省材料便于检修,当地基不均匀沉降时有可能保持各处滑移面各自水平。一般把滑移缝设于基础顶部、室内外地坪之间,或设于地下室楼盖下部。滑移缝上下设圈梁或框架梁、梁板体系等,形成平面内刚度很大或整体性很好的传力层和持力层。这样,上部将结构地震水平剪力经分配调整传递到各滑移件,使支座各点一致滑动,同时将墙体自重以墙梁形式传递到滑移件上;而下部则承受各滑移支座的集中竖载和水平荷载并传递到基础中去。

滑移件设计选用时,其摩擦材料及摩擦系数应满足隔震设防要求,并应进行滑移量及竖向承载力设计,确定型号数量。支座点位置应按自重分布情况布置。一般设于纵横墙交接处、外墙四角、框架柱下端、长墙段或大跨梁中部及其它受力复杂处。滑移件和限位件宜分开设置,以便于设计和检修。

在滑移隔震工程中,施工完毕时部分工程的整体水平滑移检验和震后残余滑移量的人工复位是两个重要的、人们关心的问题,具有直观意义。

对底部框架上设滑移缝的层间隔震结构,我国正开始着手研究开发,具有较好发展前途。对高宽比较大的高耸结构,当在滑移缝外自重抗倾覆不能满足时,还须作附加抗倾覆设计。其构造可有多种,但原则为只抗倾覆,不妨碍滑移,一种较好的做法是柔性锚固。其中弹簧垫的存在能够产生一定的踏步式减震和消能。

需特别指出的是,采用滑移隔震的建筑物,其隔震设计必须首先确保“小震不坏”的基本设防原则。在强震作用下本文提议以“大震复位易修”的设防目标进行设计。即隔震结构在遭遇高于本地区设防烈度的、预估的罕遇地震影响时,除滑移缝外,一般不受损坏,经复位或隔震装置的检修更换及其它的一般修理仍可继续使用。关于滑移隔震结构的地震可靠度,由于隔震效果显著使得地震作用及随机性大大减小,从而其可靠度较非隔震减震结构的可靠度(特别是“大震”下)有较大提高,目标地震可靠指标有望增大,在一定条件下,可使地震设防区结构层数限值提高。

5 结 论

对滑移隔震技术,国内外已做了较多工作,我国也正积极大胆尝试应用,这是令人欣慰的。然而尚待深入研究的问题还很多,比如,性能优良的低摩擦材料的研制,支座钢件的防锈维护代替材料的开发,结构模型的振动台模拟地震检验,地基不均匀沉降时支座的自适应调节,层间隔震结构的研究,设计规程编制和软件开发等。总的来说,人们比较普遍关注担心的问题是实际隔震中强地震作用下工作性能究竟如何?这有待已有和新建隔震房屋经受实际地震考验。

随着人们认识的加深和社会发展,走抗震与减震相结合的道路是发展的必然趋势。滑移隔震技术的优势是大提高了“大震”下的结构可靠性,并在地震设防区尤其是高烈度区可突破非减震时的层数等限制,不失为一个超规范研究的方向,其发展前景是广阔的。目前该技术推广的主要障碍是造价问题。若其它因素不变,只增设滑移装置,其造价比原造价约增加10%～15%。我国是个多地震的国家,若采取有关措施(如降低隔震装置成本、提高建筑效益或挖掘其它方面潜力等),使造价降到5%以下,则对面广量大的多高层砌体或底部框架结构在高烈度区推广这一技术是适合国情的,将会有效减轻地震破坏和倒塌,滑移隔震技术也将得以迅速发展。

[1] 程 文,陆 勤.结构自控的概念和方法[J].东南大学学报,1991,21(4):53-58.

[2] 周福霖.隔震、消能、减震和结构控制技术的发展和应用[J].地界地震工程,1989(4):16-20.

[3] 李 立,刘德馨.建筑物的滑动隔震[M].北京:地震出版社,1991:60-69.

Research Current Situation and Development on Shock Absorption and Seismic Isolation of Building in Our Country

Wu Shi-yue

Expounds research current situation and characteristics of shock absorption and seismic isolation of building,discusses the basic principles of foundation sliding seismic isolation technique,in connection with the characteristics of common several sliding seismic isolation devices currently in domestic and foreign carries out analyzing and summary,introduces the application of our sliding and base-isolated structure.According to research and application of China’s sliding seismic isolation technology,from the theoretical analysis and engineering application areas are reviewed,indicates that sliding seismic isolation technology is the structural shock absorption form with great development potential.Should increase the vigor of research and technology development,work out the corresponding industry specifications and standards to sliding seismic isolation devices of technology mature,facilitate engineering applications.

Buildingstructure;Friction;Slip;Seismic isolation;Currentsituation;Research; Application;Development

book=3,ebook=88

TD22

A

1672-0652(2010)03-0045-04

2010-01-20

吴世跃 男 1979年出生 2002年毕业于大同职业技术学院 助理工程师 太原 030022