李庆华 王 凯/华北理工大学
隔震技术的应用与发展
李庆华 王 凯/华北理工大学
隔震技术自20世纪60年代开始,已在世界范围内得到广泛的发展。是一种通过设置隔震层来提高建筑物的抗震能力的技术。在我国,隔震减震技术的应用,不仅打破了常规的“三水准”抗震设防的被动理念,而且极大提高了建筑物结构的抗震能力,通过大量实例表明,隔震技术在建筑物中的应用,在震害过后很大程度避免了地震所带来的灾害。
隔震技术;叠层橡胶隔震支座;摩擦滑移隔震支座;阻尼器
地震灾害作为全球最主要的灾害之一,一直以来对人类的生命财产造成极大的损失。据统计,地球上每年约发生500多万次地震,即每天要发生上万次的震。其中绝大多数太小或太远,以至于人们感觉不到;真正能对人类造成严重危害的地震大约有十几二十次;能造成特别严重灾害的地震大约有一两次。所以地震一直威胁着人类的生活或者生命。地震灾害给人类带来的损失是不可估量的,在国外,发生在1960年5月22日的智利地震,震中在康塞普西翁。从5月21日至6月22日,共发生过10次7级以上的地震,其中3次超过8级。5月22日的地震,震级达8.9级。这次地震破坏最重的地区是从圣地亚哥到蒙特港等地。地震时产生的海啸越过太平洋,日本海岸遭到的海啸浪高达4米,造成巨大灾害。由于此震甚强,它激起了明显的地球自由振荡。2004年12月26日,印度洋发生了海啸,海洋中心震级达里氏9.2级,释放的能量相当于2.3万颗原子弹集中爆炸的能量,地震引发的海啸袭击了印度洋沿岸的11个国家,遇难人数近23万人。在中国,1976年,中国唐山发生里氏7.8级大地震,共造成24.2万多人死亡。唐山大地震无明显前震,余震持续时间长达16小时。唐山大地震是20世纪十大自然灾害之一。2008年5月12日,中国西南部四川省遭受里氏7.9级大地震袭击,近7万人遇难,1000多万人无家可归,财产损失超过860亿美元。
工程结构抗震设防策略思想的发展,主要有四个阶段,第一阶段是历史上的“刚柔之争”,即一些观点认为建筑结构修建的越结实抗震性能越好,例如苏联克林姆林宫等建筑。但是其缺点是结构过于笨重,浪费材料。第二阶段“消耗战”——主体结构损伤。目的是为了消耗地震的能量,从而剩下的部分能量不足以将建筑物破坏。第三是“防御战”,即用隔震耗能部件保护主体结构免受损伤。例如通过加隔震支座或阻尼构件隔离或消耗部分地震所产生的能量。第四个阶段是“招安”——地震能量储存和实际应用。目的是将地震所产生的能量加以利用,但目前还在研究阶段。
随着工程的发展,隔震技术的应用越来越广泛,隔震系统可分为层间隔震体系,基础隔震体系,悬挂隔震体系以及调协质量阻尼体系[1]。层间隔震就是在建筑上部结构层与层之间设置隔震层,而基础隔震就是在基础与上部结构之间设置隔震层。隔震系统一般主要由隔震支座和阻尼器构成。隔震支座一般分为三类,叠层橡胶隔震支座,摩擦滑移隔震支座与滚动摩擦隔震支座,具体分类见下图。
图1 隔震装置的分类
(一)隔震技术的优点
隔震技术相比普通的抗震技术有很大的优势,研究表明,应用隔震装置能很大程度的减小建筑物的地震动反应。隔震结构的层间位移,加速度响应,层间剪力都比一般结构的数值小很多。应用隔震技术能有效的“隔离”地震,不仅使结构不受到破坏,而且并保护了结构内部的设备,装置等免遭破坏。在地震过程中,能保护通讯设备,重要军事仪器免遭破坏,是极有意义的。
图2 叠层橡胶隔震支座的应用
(二)隔震系统的不足
现阶段工程中发展比较成熟的是橡胶隔震支座,但橡胶隔震支座造价较高,橡胶容易老化使其缩短了结构本身的使用年限。滑移摩擦隔震支座在建筑与桥梁上也有应用,目前,摩擦滑移隔震在我国工程上的应用还处于起步阶段,主要原因是各种摩擦滑移类支座有不少是以滚珠、滚轴、涂层钢板等作为滑移材料的隔震装置,虽具有承载力高、造价低、耐久性好、制作简单的特点,但也存在一些问题,一般摩擦滑移隔震支座都以聚四氟乙烯作为摩擦耗能材料。但是在实际应用中聚四氟乙烯却存在着冷流性、熔体粘度高、附着性差、高轴压下易变形和在 400℃高温下会分解出有毒气体等问题。其次,摩擦滑移隔震支座复位能力差,所以经常和橡胶隔震支座进行组合,并通过增加阻尼装置进行耗能。来提高隔震系统整体的效果。
我国41%的国土、50%以上的城市位于地震强度7度以上的地带,面临的地震灾害形势非常严峻。现在我国已经颁布了《建筑抗震设计规范》和《建筑隔震橡胶支座》等国家标准和行业标准,规范了产品的设计要求和性能指标,隔震技术已被列为国家住房和城乡建设部重点科技成果推广项目。随着我国建筑隔震橡胶支座工程应用实践的成功、国家抗震减灾措施的落实、建筑隔震橡胶支座应用技术的进步以及人们抗震意识的提高,建筑隔震橡胶支座的应用将日益广泛,发展前景广阔。
[1]蔡荫. 碟簧竖向隔震支座的试验研究[D].广州大学,2012.
[2]苏经宇,曾德民. 我国建筑结构隔震技术的研究和应用[J].地震工程与工程振动,2001(4),94-101.
[3]丁攀攀. 国内建筑隔震橡胶支座的研究现状与进展[J]. 橡胶工业,2009,08:506-510.