基础隔震技术综述

　

(广州大学土木工程学院　广东　广州　510000)

引言

地球活动的重要标志之一就是地震。人类生活在地球表面，地面上的所有人建造建筑物在地震发生时都不可避免地要遭受地震的冲击。有些大地震可能会给人类带来灾难性的后果。我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，在全球大陆地区的大地震中，约有四分之一至三分之一发生在我国。自1900年至今，我国6至6.9级地震545余次，7至7.9级地震111次，8级以上地震12次。2017年，四川九寨沟发生震级为7.0级地震。造成25人死亡，176492人受灾，73671间房屋不同程度受损。2013年，四川省雅安市芦山发生震级为7.0级地震。造成196人死亡，11470人受伤，直接经济损失高达500亿，并且随之又引发了大量的滑坡等次生灾害。2010年，青海玉树发生震级为7.1级地震，造成2698人遇难。2008年，四川汶川发生震级为8级地震。遇难69225人，受伤374640人，失踪17923人。直接经济损失达8451亿元。1976年，河北唐山发生震级为7.8级地震。造成24万余人死亡，16万人受伤。1975年，辽宁海城发生震级为7.3级地震。伤亡人员总数为29579人，其中死亡2041人。地震造成城镇房屋倒塌及破坏约500万m2，公共设施损坏165万m2，农村房屋毁坏1740万m2，各种设备、物资也遭到严重损坏，总计约8.1亿元[3]。1966年，河北邢台发生震群型地震。共损坏房屋508万间，其中262余万间严重破坏或倒塌。位于震中地区房屋几乎全部倒塌，村镇街道变成一片废墟。地震中共有8064人丧生、38451人受伤。

一、减轻地震灾害的基本对策

全球的地震时常发生，而生活在地震高发地带的人们更是遭受着不同大小和不同发生频率地震的威胁。世界每年因地震而造成的生命、经济、环境等的损失破坏更是难以估量。目前，人类减轻地震灾害常见的基本对策有：(1)地震预报，目前达到的水平是“偶有成功，错漏甚多”虽然取得了可喜的成果，但仍不能预报所有地震。(2)地震工程通过工程技术提高城市综合抗御地震的能力和提高各类建筑的耐震性能。目前达到的水平是“屡见成功，偶有失利”[1]。

二、工程结构减震控制

地震的发生导致大量损失的起因是由于建筑物的倒塌造成，因此，如何使建筑物经受住地震的考验，是一个重大但又很现实的问题。多年来，随着科学技术的发展，抗震设计技术也逐步提升和完善，然而传统的结构设计多采用“硬抗”的方法，即采用加强结构，加粗构件配筋，提高结构刚度等方法来抵抗地震。这种方法使用了大量的材料，增加了结构的刚度，结构刚度越大，地震作用越大，恶性循环，导致的结果是既不经济，在大震下也不一定安全。然而，与“硬抗”相对应的减震控制技术则弥补了这一不足。减震控制技术主要采用三种方法：隔震、消能还有调整结构动力特性，通过这些技术来隔离地震或者一定程度上减弱地震反应，以此达到更安全、经济和有效减弱地震作用的效果[8]。隔震技术作为正不断完善且具有代表性的抗震技术之一，在国内外被广泛地应用，并在众多地震中经受住了考验，得到科研人员的认可[2]。

三、隔震技术的发展

近几十年来，越来越多的地震被记录累积下来，结构的设计方法也从静力法发展到反应谱法再到时程分析法，从线弹性到弹塑性分析，理论日渐成熟。而振动台等试验设备的研究开发以及叠层橡胶支座的研制成功，得以让基础隔震技术理论得到了更加可靠的实验支撑，也为此技术的推广和示范应用打下基础。

与抗震结构相比，虽然隔震结构出现的时期较晚，但其构想在19世纪末就已经基本形成了。基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于1881年12月在日本“建筑杂志”中提出。1909年，世界上第一个隔震结构的专利由英国医生J.A.Calantarientszai在美国提出。1924，鬼头健三郎提出了圆球形式的隔震结构，等等。

世界上首次在隔震结构中使用橡胶支座国家是南斯拉夫。1981年，新西兰开发出内部包含铅芯的叠层橡胶支座。由于这种支座具有支撑固定荷载及消费地震能量的双重作用，并且施工简单，设置方便，在世界各国得到了普遍的应用[3]。我国于1993年在汕头市由周福霖教授主持完成了第1栋橡胶隔震支座房屋(8层框架)，并于1994年9月16日台湾海峡地震中经受考验，被誉为世界隔震史上的第3个里程碑[10]。

值得关注的是，近年来隔震技术发展应用很快，中国已建成近3800幢隔震建筑，150座隔震桥梁；日本已建成近4500幢隔震建筑，1800座隔震桥梁；美国已建成近180幢隔震建筑，110座隔震桥梁。云南省昆明机场航站楼、广州科技中心等大型公共建筑已采用了隔震技术；31层建筑高度90.35m的国内最高隔震高层建筑已通过抗震专项审查；核电站设施已采用隔震技术；实用经济的隔震技术已在中国农村民居中推广应用。

四、基础隔震原理及特点

基础隔震是指将隔震层设置在建筑的上部结构和下面的基础之间，通过使用隔震层来延长结构体系的自振周期与增大阻尼，使得输入上部主体结构的地震作用削弱，从而达到减震的效果[11]。

传统的抗震结构是通过加大构件的截面和强度来抗住地震产生的变形和内力效应，但这就使得结构的刚度和自重加大而吸收了更多的地震能量，从而制约了抗震结构在高烈度区和复杂结构形式中的应用。而基础隔震结构，由于其水平刚度相比上部结构较低，从而降低结构的自振频率，延长整个体系的自振周期，让反应偏离了大多数地震的地面运动能量最集中的周期区间，使得结构在地震作用下的加速度反应得以减小。与此同时，隔震结构增大的阻尼，而阻尼提供了一定的耗能能力，有效地遏制了结构在地震作用下的反应。通过增大周期和阻尼以减小结构地震响应的原理，使得地震作用在结构上的破坏性荷载和变形得以减小，隔震层使上部结构和基础分隔开来，耗散掉大部分能量，使得上部主体结构相比没做隔震时，在地震作用下仅是稍微的平动，让结构构件及结构附属物得以更好的保护，达到减震目的。

不采用基础隔震的传统抗震结构因其基础与上部主体连成一体，这使得在地震作用下，结构的层间位移随由下而上逐层增大，使得边柱、角柱和柱顶较易破坏。而当采用了基础隔震结构，同样在地震作用下，隔震层发生较大的水平向位移，而上部结构仅发生较小的层间位移，由下到上并无较大区别，近似平动，而上部结构的加速度也仅仅相当于不做隔震结构的1/3～1/5。

五、结语

相比传统的抗震建筑，基础隔震结构有如下的优点：(1)对建筑结构设计的限制减小，使用空间增大；(2)减小了地震时带来的不适感，提升了居住性；(3)非结构构件基本不会损坏；(4)增强了振动时建筑的整体安全性；(5)防止了建筑内部物体的移动、翻到引发的次生伤害和经济损失；(6)保证了地震时水电等设备的使用功能；(7)震后检测修复简便；(8)适用范围广，尤其适用于抗震性能高或生命线工程等；(9)对于高烈度区可节省3%～20%的房屋造价。隔震建筑在地震中显著的减震效果及相关规程、标准的推出，隔震技术的应用将越来越广泛。

【参考文献】

[1]周福霖.工程结构减震控制[M].地震出版社,1997.

[2]武田寿一.建筑物隔震防振与控振[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[3]傅金华.日本抗震结构及隔震结构的设计方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.