房屋隔震技术的发展

薛军峰 曹校勇 刘新华

1 地震灾害

地球上主要有四组地震带,我国部分地区位于欧亚地震带上,大部分地区又夹在欧亚地震带与太平洋地震带之间,地震情况非常复杂。从历史的地震情况看,我国除了个别省份(浙江、江西)外,绝大部分地区都发生过较强的破坏性地震,有不少地区现代地震活动相当强烈,如我国的台湾、新疆、西藏、西南、西北、华北和东南沿海地区。

地震带来的人员伤亡数量巨大,财产损失惨重,这些灾难的直接原因是房屋建筑在强震中的破坏和倒塌,如图1,图2所示。因此,房屋建筑采用合适的隔振措施非常重要。

2 房屋隔震的历史

房屋隔震往往就是通过在建筑物的基底或者某个部位设置一个隔震层来调整结构的刚度和阻尼,从而改变结构的自振频率,延长结构自振周期 T,避开地震卓越周期,达到减小地震输入结构中地震能量的目的,有时隔震系统中尚配置有专门的耗能装置,以增强结构吸能与耗能能力,大大减小结构的地震反应,降低地震作用对上部结构的破坏能力。

虽然现在最古老的中世纪木建筑——明成祖永乐年间(1406年)开始修建的紫禁城(现在的“北京历史博物馆”)在修建的时候,采用了煮过的糯米和石灰的混合物作基础,具有很好的柔性和阻尼作用,经受了多次地震的考验。日本1252年修建的镰仓大佛在不知不觉中应用了隔震思想而经受住了关东大地震的考验。但直到20世纪初期,基础隔震的概念才开始在工程中应用。

1921年Lloydwrihgt主持建造的日本东京帝国大厦均在1923年关东大地震中表现了良好的隔震性能,引起了人们对房屋建筑采用隔震技术的重视。1934年日本真岛教授将一楼与二楼在结构上分开,二楼以柔弱柱支撑以求减震。1965年在新西兰举行的第三次世界地震工程会议上提出了首篇以解析方法论证滑移隔震理论的论文,其作者日本的松下清夫和泉正哲在文中提出了以摇动球座(Rocking Ball)为隔震装置进行隔震。而1890年德国人Jacob Bechtold设计的一种由钢盘、滚珠构成的减震器,1909年英格兰医生Calantanrients提出的用滑石粉层将房屋与基础隔开的减震方法,均申请了美国专利。1924年,日本山下兴家氏和鬼头健三郎氏两人分别以弹簧及球体隔震方法取得专利。

3 房屋隔震技术现状

3.1 橡胶支座隔震系统

橡胶支座由橡胶和钢片隔层布置组成,构造图如图3所示。靠橡胶的剪切变形实现水平变位,加劲钢板可以提高橡胶的竖向承压能力。在建筑物的基础和上部建筑之间设置橡胶支座,可以在一定程度上隔离地震输入结构的地震能量,达到减震的目的。

1993年建成的位于汕头市陵海路38号的八层楼房是我国第一栋橡胶支座隔震房屋,23个橡胶支座使楼房与地面隔开,形成隔震层。如今,该楼房已经经受了1994年和2006年经历的两次台湾海峡强震的考验。

3.2 铅芯橡胶支座隔震系统

铅芯橡胶支座是在普通的板式橡胶支座中心加入适量的铅芯而成,构造如图4所示。内置的铅芯可以提供静力荷载作用下所必需的刚度,同时,也可以满足地震荷载作用下所需的屈服强度,即在较小的水平力作用下,由于其较大的刚度而铅销橡胶支座的变形很小,在大震作用下,铅销橡胶支座因铅销屈服而产生滞后的塑性变形,振动能量消耗,且通过橡胶提供恢复力。因此,铅销橡胶支座不仅是隔震系统也是阻尼器。

3.3 基础滑移隔震系统

基础滑移隔震系统的滑移层往往设置在基底,采用低摩擦材料(如砂砾、滑石、聚四氟乙烯等)。这种隔震系统没有复位功能。主要应用在早期的隔震房屋和现在的临时性房屋建筑结构中。

3.4 组合隔震系统

为了减小普通橡胶隔震支座在地震中较大的水平变位,通常使橡胶支座和阻尼器组合使用。通过安装在非基底处的阻尼器来吸收震动能量抑制过大的变位,组合隔震系统的安装示意图见图5。

目前国际上广泛用于工程上的阻尼器有:钢材阻尼器、粘性阻尼器、摩擦阻尼器和铅阻尼器。

几种阻尼器的特点如下:1)钢材阻尼器:利用钢材的弹塑性来吸收地震能量,特殊的钢棒与特殊的轴承组合可开发出40 cm变形能力的高性能阻尼器。2)粘性阻尼器:利用粘性液体来抵抗吸收地震能量。这种阻尼器对中小地震是有效的。3)摩擦阻尼器由钢板组成,又叫摩擦缓冲器。上下板固定在基础上,中板固定在建筑物上。在地震力作用下,钢板发生回转运动,由于摩擦力的作用使相互间的运动受到抑制。4)铅阻尼器:完全用铅棒制成的阻尼器,可用来抑制较大变形,吸收地震能量。

4 房屋隔震技术展望

已有的研究多是隔震层位置设在基础顶部,随着楼房建筑高度的增加,对隔震层设在非基础顶部的研究将是房屋隔震的一个研究方向。西安理工大学的张俊发教授就铅芯橡胶支座在多层框架结构加层改造中的应用进行计算,分析了隔震层设在框架结构不同构造层的减震效果。

我国汶川地震和青海玉树地震灾害调查表明,很多倒塌的房屋是居民房,因此,提高居民建房时的抗震意识,推广隔震技术在房屋建筑中的应用将是一个迫切的任务。

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

[2] 林 勇.基础滑移隔震体系的地震反应谱研究[D].西安:西安建筑科技大学硕士论文,2006.

[3] 张俊发,刘云贺,田 杰.铅芯橡胶支座应用于多层框架加层改造的减震研究[J].西安建筑科技大学学报,2000,32(2):139-142.

[4] 丰土根,刘汉龙.建筑隔震技术的研究现状[J].水利水电科技进展,2000,20(1):27-29.