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論建筑隔震技術(shù)

2011-12-20 03:49包立新
城市建設(shè)理論研究 2011年23期
關(guān)鍵詞:經(jīng)濟(jì)

摘 要:介紹了隔震建筑的發(fā)展及應(yīng)用,并著重論述了疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震技術(shù),分析了低層建筑與高層建筑在隔震處理上的一些不同點(diǎn),最后通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益的論證,證明了隔震建筑的廣泛應(yīng)用前景

關(guān)鍵詞:隔震 橡膠支座 經(jīng)濟(jì)

The seismic isolation technology for buildings

Abstract: This thesis introduces the development and application of the seismic isolation buildings with a focus on the technology of laminated rubber. And it analyzes the difference between the low-rise buildings and the high-rise buildings on the seismic isolation treatment . With the demonstration of the economy we finally come to a conclusion that the seismic isolation buildings have a bright future.

Keywords: seismic isolation;laminated rubber; economy

一、引言

地震是我們?cè)诮ㄔ旖ㄖ飼r(shí)永遠(yuǎn)不可避免的一個(gè)重要考慮因素,我國(guó)處于世界上兩大火山地震帶——環(huán)太平洋火山地震帶和歐亞火山地震帶之間,受太平洋板塊印度洋板塊以及歐亞板塊的擠壓,地震斷裂帶十分活躍。20世紀(jì)以來(lái)發(fā)生6級(jí)以上地震近800多次,遍布除貴州、浙江兩省和香港特別行政區(qū)以外的所有省市自治區(qū)直轄市。地震活動(dòng)頻率高、震源淺、強(qiáng)度大、分布廣,是一個(gè)震害非常嚴(yán)重的國(guó)家。1900年有記錄以來(lái),我國(guó)死于地震的人數(shù)達(dá)到55萬(wàn)之多,占同期世界死于地震總?cè)丝诘?3%,地震成災(zāi)面積達(dá)到30多萬(wàn)平方公里,房屋倒塌近700萬(wàn)間。尤其是近期發(fā)生的汶川大地震使舉國(guó)震驚,我們清楚地見(jiàn)識(shí)到了地震的威力,大片房屋倒塌,大量的人員傷亡使我們迫切地意識(shí)到發(fā)展新型抵抗地震災(zāi)害的新方法和新技術(shù)的重要性。

傳統(tǒng)的抗震方法,主要是針對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu),通過(guò)合理的設(shè)計(jì),保證建筑物在規(guī)定的烈度范圍內(nèi)不發(fā)生破壞,這是一種剛性抗震結(jié)構(gòu),其地震反應(yīng)是放大晃動(dòng)型,容易發(fā)生脆性破壞。而隔震技術(shù)是將過(guò)去的硬抗技術(shù)改為軟抗,是在建筑物底部和基礎(chǔ)頂部之間安放適當(dāng)?shù)木彌_物,使建筑物在受到地震波作用后的加速度反應(yīng)大大減弱,同時(shí)讓建筑物的位移主要由隔震系統(tǒng)承擔(dān),從而使建筑物在地震中產(chǎn)生的變形非常小,以達(dá)到防護(hù)目的。一般來(lái)說(shuō),基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)只是抗震結(jié)構(gòu)的1/4~1/12,大大提高了結(jié)構(gòu)的安全度。通過(guò)這種以柔克剛的方法可以使建筑物在地震中受到較小的傷害。

二、隔震技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過(guò)了早期的萌芽階段與現(xiàn)代的發(fā)展階段

(一)基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期階段

基礎(chǔ)隔震概念最早是由日本學(xué)者合浩藏于1881年提出的,認(rèn)為先在地基上縱橫交錯(cuò)放置幾層圓木,圓木上做混凝土基礎(chǔ),再在混凝土基礎(chǔ)上蓋房,以削弱地震傳遞的能量。

1909年,美國(guó)的J.A.卡蘭特倫茨提出了另外一種隔震方案,即在基礎(chǔ)與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母,這樣地震時(shí)建筑物會(huì)發(fā)生滑動(dòng),以達(dá)到隔離地震的目的;

1921年,美國(guó)工程師F.L.萊特在設(shè)計(jì)日本東京帝國(guó)飯店時(shí),有意用密集的短樁穿過(guò)表層硬土,直接插到軟泥土層底部,利用軟泥土層作為隔震層。1923年關(guān)東大地震發(fā)生,附近同類(lèi)建筑毀壞嚴(yán)重,但這個(gè)建筑卻保持完好;

1924年,日本的鬼頭健三郎提出了在建筑物的柱腳與基礎(chǔ)之間插入軸承的隔震方案。1927年,日本的中村太郎論述了加裝阻尼器吸能裝置,在隔震理論方面進(jìn)行了有益的探索。

在這一階段,雖然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理論基礎(chǔ),但限于當(dāng)時(shí)的水平與條件,基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用未被很好地研究與開(kāi)發(fā)。

(二)基礎(chǔ)隔震的現(xiàn)代階段

隨著地震工程理論的逐步建立以及實(shí)際地震對(duì)結(jié)構(gòu)工程的進(jìn)一步考驗(yàn),特別是近二三十年來(lái),由于采用大量的強(qiáng)震記錄儀對(duì)地震進(jìn)行觀測(cè),使人們較快地積累了有關(guān)隔震及非隔震結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)驗(yàn),從而對(duì)早期提出的一些隔震方法進(jìn)行了淘汰與升華。其中疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系被認(rèn)為是隔震技術(shù)邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w系。

1984年新西蘭建造了世界上第一幢以鉛芯疊層橡膠墊作為隔震元件的4層建筑物;1985年美國(guó)建成第一座4層的疊層橡膠墊隔震大樓加州?圣丁司法事務(wù)中心;1986年日本又建成一幢5層高技術(shù)中心樓,采用鉛芯橡膠墊。目前,世界上大約有30多個(gè)國(guó)家在開(kāi)展這方面的研究,這項(xiàng)技術(shù)已被應(yīng)用在橋梁、建筑,甚至是核設(shè)施上。截止目前,世界上大約已建成了3100多幢基礎(chǔ)隔震建筑。

常見(jiàn)的隔震技術(shù)有疊層橡膠支座技術(shù)、砂墊層隔震技術(shù)、石墨墊層隔震、摩擦滑移支座隔震及橡膠隔震支座與摩擦滑移支座聯(lián)合隔震。這其中發(fā)展較為迅速的是疊層橡膠墊支座隔震技術(shù)。

隔震橡膠支座是由一層鋼板一層橡膠層層疊合而成,并經(jīng)過(guò)加工使其緊密地連接在一起的。首先,隔震支座有高的豎向承載能力和較小壓縮的變形,可以保證建筑物的安全;此外疊層橡膠墊支座還有很大的水平方向的變形能力,在地震作用下可以隔離水平方向上的地震分量;第三隔震橡膠支座具有彈性復(fù)原特性,地震后可以使建筑物自動(dòng)恢復(fù)原位。采用隔震橡膠墊支座的建筑物,設(shè)防目標(biāo)一般可以增加一個(gè)等級(jí),傳統(tǒng)抗震建筑的設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞,中震可修,大震不倒”,而設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)隔震建筑可以做到“小震不壞,中震不壞或輕度破壞,大震不失去功能”

目前,我國(guó)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系發(fā)展迅速,已經(jīng)用在各種類(lèi)型的建筑中,但是高層建筑與低多層建筑相比還有其一些本身的特點(diǎn)。首先,高層隔震建筑的上層結(jié)構(gòu)不能滿足剛體假定,高陣型反應(yīng)分量的影響不可以忽視,不能以結(jié)構(gòu)第一陣型為主確定上部結(jié)構(gòu)反應(yīng);二是由于高層超高層建筑的水平地震力產(chǎn)生的傾覆力矩較大,在較大強(qiáng)風(fēng)和地震力的作用下隔震支座中可能會(huì)有拉應(yīng)力產(chǎn)生如何避免隔震支座中拉應(yīng)力的產(chǎn)生成為一個(gè)重大問(wèn)題,第三是高層超高層建筑的自振周期都比較長(zhǎng),所以必須進(jìn)一步延長(zhǎng)高層和超高層建筑的基本周期,已達(dá)到更好的效果,低彈性、大變形支座的開(kāi)發(fā)在強(qiáng)震和強(qiáng)風(fēng)地區(qū)有很好的研究前景。

三、隔震技術(shù)在低層和多層建筑中的應(yīng)用

對(duì)于低層和多層建筑,由于其主要是磚砌體結(jié)構(gòu)體系,由于磚砌體的材料脆性性質(zhì),其整體性極差,以及砌筑質(zhì)量的高離散型,其抗震性能較差,歷次震害統(tǒng)計(jì)中表明,砌體結(jié)構(gòu)受到的地震破壞最為嚴(yán)重,目前,在設(shè)計(jì)使用中,多層樓房局部躍層、錯(cuò)層越來(lái)越多,沿街大多出現(xiàn)底框建筑,抗震性能極差,居民裝修使結(jié)構(gòu)的損害較大,在地震來(lái)臨時(shí)其抗震性能令人擔(dān)憂。從下表中我們可以看到隔震技術(shù)主要應(yīng)用于低層和多層建筑中。

序號(hào) 地點(diǎn) 層數(shù) 結(jié)構(gòu)類(lèi)型 建成時(shí)間 高度

1 汕頭 8 R.C框架 1993 27

2 西昌 6 砌體混合 1994 17

3 澄海 8 R.C框架 1995 26

4 廣州 7 R.C框架 1997 21

5 太原 9 R.C框架 1997 29

6 太原 20 R.C框架 1997 64

7 杭州 7 底框 1997 22

隔震在我國(guó)部分地區(qū)住宅中的應(yīng)用

近20年來(lái),基礎(chǔ)隔震技術(shù)在工程中得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),到2003年僅日本就已經(jīng)建成1300多棟隔震建筑,我國(guó)到現(xiàn)在也建設(shè)了300多棟隔震建筑,與傳統(tǒng)抗震建筑相比,采用隔震技術(shù)的建筑物的安全性和減震效果在幾次地震中得到檢驗(yàn)隔震建筑的最大水平加速度僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/3~1/5。

從技術(shù)方面來(lái)講,隔震技術(shù)的研究在抗震技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中發(fā)展較早,目前,已經(jīng)相當(dāng)成熟,包括中國(guó)在內(nèi)的世界上許多國(guó)家都已經(jīng)制訂了隔震建筑設(shè)計(jì)的規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是,從工程普及角度講還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

首先是經(jīng)濟(jì)方面的考慮,在工程抗震界,以往的研究大多集中于抗震理論和設(shè)計(jì)方法的研究,而對(duì)具體的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)做的不夠,這樣往往導(dǎo)致研究與實(shí)際工程脫節(jié),使得大部分的人認(rèn)為采用隔震體系會(huì)導(dǎo)致建筑物的工程造價(jià)大大提高,其實(shí)正好相反,采用隔震技術(shù)建造的房屋從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度講會(huì)使建筑物的成本下降。

同非隔震建筑相比,基礎(chǔ)隔震建筑在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面有了一些變化。

第一,在結(jié)構(gòu)造價(jià)方面,增加的部分有隔震部分的設(shè)計(jì)費(fèi)用;隔震構(gòu)件的費(fèi)用;隔震層上增加一層樓面的費(fèi)用;隔震層引起的工程量的增加費(fèi)用。但是由于利用了隔震技術(shù)使得基礎(chǔ)費(fèi)用降低,由于隔震技術(shù)使得上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)增加了一個(gè)等級(jí),使得墻體變薄,結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用上也變少,帶來(lái)了一定的費(fèi)用降低。

第二,由于現(xiàn)在主要使用的是疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震技術(shù),而橡膠是一種極易老化的材料,一般的使用壽命最多達(dá)到60年,所以使用基礎(chǔ)隔震技術(shù)相應(yīng)的增加了維護(hù)和拆除的費(fèi)用。

第三,由于隔震技術(shù)使得上部結(jié)構(gòu)墻體變薄,相應(yīng)的帶來(lái)的效果就是使用面積的增大。

第四,采用隔震技術(shù)一般可以使建筑物的高度增加一層,這樣就可以帶來(lái)很可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

第五,我們分析建筑的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)不僅僅要分析表面上看得著的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,還要研究其隱含的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。隔震技術(shù)能夠降低房屋的地震作用,使房屋在地震中不易破壞。同時(shí)也能減少地震所引起的火災(zāi)等次生災(zāi)害,城市癱瘓、社會(huì)長(zhǎng)期不安等,尤其是人員傷亡(據(jù)統(tǒng)計(jì),在地震中所導(dǎo)致的人員傷亡90℅都是由于房屋倒塌造成的),而隔震技術(shù)能很好地減少這些次生災(zāi)害。

再次,是基礎(chǔ)隔震技術(shù)對(duì)技術(shù)要求相當(dāng)?shù)膰?yán)格,就拿疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震支座來(lái)說(shuō):(一)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的動(dòng)力特性不僅隨著結(jié)構(gòu)體系的不同而變化,而且與安放位置的不同也發(fā)生變化,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)不但要進(jìn)行相應(yīng)的概念設(shè)計(jì),而且要從多個(gè)角度進(jìn)行動(dòng)力分析,合理、準(zhǔn)確地把握動(dòng)力響應(yīng)才能保證做出準(zhǔn)確安全的設(shè)計(jì)。(二)在隔震結(jié)構(gòu)中要真正做到基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)隔離,還需要進(jìn)行一些關(guān)鍵部位的構(gòu)造處理。如低層樓梯與主體結(jié)構(gòu)的隔離處理;上下水、煤氣、供暖及配電管道穿越隔震層時(shí)的柔化處理。有一方面處理不當(dāng),都會(huì)使結(jié)構(gòu)在地震中遭到巨大的損失。(三)除此之外,疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震層對(duì)施工的要求是比較嚴(yán)格的,隔震層的位移不能受任何原因的干擾和約束,施工時(shí)不能損傷隔震器及其附件,并要求隔震器的安裝要有較高的水平度以保證在受到地震作用時(shí)能夠完成復(fù)位。

四、結(jié)論

綜合分析可以知道,基礎(chǔ)隔震建筑大大降低地震災(zāi)害,由于上部地震作用減少,結(jié)構(gòu)跨度、進(jìn)深可增大,結(jié)構(gòu)構(gòu)件減小使得房屋的使用面積增大,雖然房屋的建設(shè)費(fèi)用增加了一些,但與所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益相比,較少的增加了結(jié)構(gòu)造價(jià),較大地增加了經(jīng)濟(jì)效益。綜合經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,尤其是在降低社會(huì)損失方面,其效果更加明顯。有專(zhuān)家從廣州、太原、西昌等地隔震技術(shù)建造的房屋進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估后得知,隔震房屋比傳統(tǒng)抗震房屋節(jié)省土建造價(jià)為:7度減少1%~3%,8度減少5%~15%,9度減少10%~20%。特別是在高烈度區(qū),采用隔震技術(shù)可以比采用原來(lái)的隔震技術(shù)在原有基礎(chǔ)上多建造1到2層,土地更加節(jié)約,帶來(lái)了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

隔震建筑與傳統(tǒng)的抗震建筑相比,不論是在減小地震災(zāi)害還是在經(jīng)濟(jì)方面都有其較大的優(yōu)勢(shì),故隔震建筑是未來(lái)建筑控震的發(fā)展趨勢(shì),隨著技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在存在于隔震建筑中的一些難點(diǎn)如疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震技術(shù)在高層建筑中遇到的如拉應(yīng)力的處理,以及高壽命橡膠的研究都是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介:

包立新(1967-),男,蒙古族,1990年畢業(yè)于呼倫貝爾城建中專(zhuān)工民建專(zhuān)業(yè),2006年畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè), 呼倫貝爾市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站工程師。研究方向: 工程質(zhì)量監(jiān)督。

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