隔震技术发展综述

张家骏

(广州大学土木工程学院 广东 广州 5100006)

一、引言

地震川是一种具有强烈毁灭性的自然灾害，强烈得可以地动山摇，山崩地烈。同时地震又具有突发性，直到科学发达的今天，我们仍然无法对地震进行预测。强烈的地震会给人类的生命、财产安全带来巨大的威胁。我国处于太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，是世界上发生地震最多的国家之一，从1900年以年，我国发生的7.0级以上地震就近20次，造成45万人死亡以及无法估量的经济损失。2008年5月12日发生在四川省汶川县的8.0级大地震，造成了8.8万人的死亡或失踪，8000多亿人民币的直接经济损失，其伤亡人数之众多，建筑结构破坏、倒塌之严重让全世界为之震惊。

在过去的20世纪[1]，人们对地震的预测和防御做了大量的研究，特别是1906年美国旧金山地震和1923年日本关东地震后，各国学者提出了各种抗震设计观点。总的说来，结构抗震体系经历了三个阶段的演变，即刚性结构体系、柔性结构体系和目前的延性结构体系。最早提出的刚度结构体系是通过增加结构构件的强度，提高结构的承载力达到抵抗地震的效果。由于结构固定在地面上，增加结构刚度，在地震作用下结构反应也会增加，进而需要更大的构件截面和配筋率，如此便会进入一个恶性循环。因此，人们又提出了柔性结构体系，即减小结构的刚度以达到减小地震作用的效果。但这样做的结果却是结构可能在地震作用下变形过大而发生破坏。

因此，到了第三阶段研究者提出了延性结构体系，其抗震原理是能过增加结构的刚度来抵抗小震，而对于大地震是通过结构的弹塑性变形来吸收传到结构的地震能量，同时要求结构不发生严重的破坏，达到结构不倒的目的。这是目前国内外普遍采用的抗震方法。

传统抗震设计方法[2]以“小震不坏，中震可修，大震不倒”作为设防标准。但是当地震烈度达到一定程度以后，这种抗震结构体系就会十分不经济，同时可能不能满足安全性能的要求。随着社会的发展，一些建筑物的抗震性能要求越来越高，如医院、实验室、通讯中心，这些建筑内配备的高灵敏度、高价值的设备是越来越多。在中等的地震作用下而，这些设备仪器就可能无法正常地使用，在稍高的水平加速度作用下，就可能发生不可修复的破坏。又如在博物馆和图书馆中有一些非常珍贵的文物和书籍，如果建筑物上部运动过大都很容易将这些物品损坏，这都是我们不想看到的。

因此，为了解决传统抗震设计的不足，寻求既安全，适用、经济的结构体系各国科研人员和工程技术人员相继进行了大量研究，隔震结构体系也就应运而生。其原理是在建筑中设置小刚度的隔震层，地震中隔震层产生较大的变形而耗能掉大部分地震能量，仅有一少部分传到上部结构，从而降低上部结构的地震作用，提高其安全性。隔震结构体系的提出，适时地满足了人类的需求，为人类与地震的抗争提出了一条新的思路。

二、国外隔震技术研究现状

基础隔震概念[3][4]最早于1881年由日本学者河合浩藏提出，他提出在地基上并排铺设数层圆木，将它们稍许固定，再在上面打水泥混凝土，建造建筑物。这是一种初级的隔震结构体系构思。1909年，英国医生J.A.Calantarients在美国提出了在建筑物结构与基础之间用滑石粉隔开的隔震结构方案。

1921年[3]，第一座采用基础隔震思想的建筑东京帝国饭店建成，由设计师FL·萊特设计。该建筑的地基下有淤泥层，淤泥层上部为2.5米厚的硬土层，设计师创造性地以地基中淤泥层直接作为结构的隔震层。在1923年的日本关东大地震中，该建筑经受住了地震的考验，几乎没有受到损伤。因此，在日本关东大地震后，1924年，日本也开始有隔震结构专利，这其中有鬼头三健郎的“建筑物抗震装置”专利和山下兴象的“结构物抗震装置”专利。1965[1]年，第三次世界地震工程会议在新西兰的召开，日本学者松下清夫与和泉正哲在会议上提出以摇动球装置进行隔震，这是首次提出以解析法论证构造。

现在在隔震结构广泛使用的橡胶支座最早使用的是在南斯拉夫于1969年由瑞士人设计建成的一座小学中，但由于当时的技术以及支座的设计不合理，该建筑的基础隔震并不成功。随着美国学者[1]kely和Eidinger在1978年提出了叠层橡胶支座的设计以及1985年高阻尼橡胶支座的首次投入使用，标志着隔震技术发展进入了一个崭新的时期。对隔震技术的快速发展，美国、新西兰、日本等国家功不可没，大量的研究人员投入精力到隔震技术研究中，对基础隔震技术进行了系统的理论分析和试验。

由于采用橡胶隔震支座的隔震建筑在1994年的美国洛杉矶地震和1995日本阪神地震中表现出优秀的隔震效果，隔震技术引起了广泛的关注和重视。特别是在日本，阪神地震后的一年时间，日本新建的隔震建筑超过了历史总和。到2009年，日本建成的隔震建筑超过3800栋。

三、国内隔震技术研究现状

我国对隔震技术的研究及应运相对较晚。国内开始基础隔震理论的研究是在1966年，李立教授[1]研究了以砂砾层作为摩擦材料的可行性。国内隔震技术应用于实际工程是在80年代。1983年，西安市建筑开发公司税国在大理和西安主持建造了移块隔震房屋。1986年，刘德馨、曾国霖等主持建成了以墨沙砾滑移层作为隔震层的隔震房屋。

由于当时经济发展落后，造价低廉的砌体结构在很长一段时间占据了我国建筑行业的主体地位，在隔震结构研究的早期，主要以这种结构为研究对象。在上世纪80年代，隔震技术研究主要以低造价材料的摩擦滑移隔震为主，内容包括选材、分析方法、模型试验等。

1987年，国家地震工程局力学研究[5]所对采用基础隔震的多层砖混模型进行了振动台试验，试验表明采用基础隔震技术可以有效地降低多层建筑的地震反应。天津大学张晓临和宋秉泽教授研究了多层隔震结构的滑移和摇摆问题，并进行了输入正弦波的振动台模型实验。郭春雨、龚思礼对基底滑动摩擦隔震建筑在同时受到水平和竖直双向地震作用时的结构反应进行了分析，张作运对该结构的水平摇摆及水平一扭转耦连的振动情况进行了分析。

从1985年开始，辽宁省建筑科学研究院楼水林等对各种不同摩擦材料进行试验，最后确定以石墨增滑剂为滑移材料的隔震体系，并结合工程应用，提出了相应的配套措施和技术要求到了80年代后期，我国科研人员开始关注橡胶支座技术。到20世纪90年代橡胶支座隔震技术在我国得到了迅速发展，并逐步推广运用。

唐家祥、周福霖、刘文光、周锡元、刘季、施卫星等[6]在90年代都作了大量的研究工作。其中，唐家祥对橡胶支座隔震元件和体系进行了理论和试验分析，率先自主开发了橡胶支座产品。周福霖为国内隔震技术的发展和工程应用做了较大贡献，指导建成了我国第一家专业的橡胶支座生产厂家，对橡胶支座隔震框架进行振动台试验和大量的常用橡胶隔震支座的试验，出版了《工程结构减震控制》一书。周锡元等对橡胶支座的稳定性和临界荷载、橡胶支座及其与柱串联系统的水平刚度计算方法、橡胶支座的限位与保护、计算设计方法等进行了深入的理论和试验研究。

到本世纪初，隔震技术被写入《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)，标志着我国隔震技术进入成熟应用阶段。