于 有 川

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

基礎(chǔ)隔震技術(shù)在房屋建設(shè)中的應(yīng)用研究★

于 有 川

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

闡述了基礎(chǔ)隔震原理和基礎(chǔ)隔震設(shè)備應(yīng)具有的特性，介紹了橡膠隔震支座、滑動隔震支座和混合隔震支座的特點(diǎn)，分析了建筑中應(yīng)用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的設(shè)計(jì)方法、經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)優(yōu)勢，指出基礎(chǔ)隔震技術(shù)在建筑中應(yīng)用需大力推廣。

建筑結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)隔震原理，隔震支座，經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

地震的發(fā)生具有很強(qiáng)的不確定性，根據(jù)目前的技術(shù)手段，人們很難預(yù)測地震發(fā)生的時間、地點(diǎn)和地震的等級。傳統(tǒng)建筑主要依靠建筑自身的剛度來抵抗外力的破壞作用，不具有自我調(diào)節(jié)和實(shí)時控制的能力，其在小的地震力作用下，建筑能夠通過本身結(jié)構(gòu)的整體性抵御地震力而保持建筑的穩(wěn)定性，不至于造成人員及生命財(cái)產(chǎn)的損失；而遇到稍微大的地震力作用時，建筑結(jié)構(gòu)就會發(fā)生塑性變形和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞而造成人員和財(cái)產(chǎn)的損失。

為了維護(hù)建筑的完整性，保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，就需要對建筑進(jìn)行改造，使其能夠抵御地震力的破壞或通過技術(shù)手段減弱傳到建筑上的地震力，隔震技術(shù)就在這種理念下產(chǎn)生且慢慢發(fā)展，隔震技術(shù)以其顯著的減震效果和良好的經(jīng)濟(jì)適用性，已經(jīng)得到工程和學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可[1]。國內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的探索與研究[2-4]。本文將綜述隔震相關(guān)知識，并以某建筑為例，從建筑的隔震設(shè)計(jì)和采用隔震建筑的經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行分析，以供參考。

1 基礎(chǔ)隔震原理

基礎(chǔ)隔震是將建筑的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)應(yīng)用隔震系統(tǒng)連接，通過隔震系統(tǒng)減弱地震力對上部結(jié)構(gòu)的能量輸入，減少上部結(jié)構(gòu)對地震的反應(yīng)，保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。基礎(chǔ)隔震的簡化計(jì)算簡圖如圖1所示，隔震的加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜如圖2所示。

通過對反應(yīng)譜的分析可知，為了減弱地震力的破壞，保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行隔震的途徑主要有兩種:1)延長結(jié)構(gòu)的自振周期，使自振周期遠(yuǎn)離場地土的卓越周期和地震的周期，以免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而有效的減少地震對建筑的破壞。2)增加隔震支座的阻尼，最大限度的吸收地震波的能量，減少地震波對上部結(jié)構(gòu)的能量輸入，保證上部建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2 基礎(chǔ)隔震設(shè)備特性

為了減弱地震力的破壞，保證建筑上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，建筑的隔震裝置具有以下特性：1)具有足夠大的豎向承載力和豎向剛度，能夠支撐起上部結(jié)構(gòu)的重量，保證上部結(jié)構(gòu)在使用過程中的安全和穩(wěn)定性。2)要有足夠的水平剛度，使上部結(jié)構(gòu)在地震力的作用下產(chǎn)生的平動周期能夠有效的避免建筑的自振周期和場地的卓越周期。3)要有適當(dāng)?shù)淖冃文芰Γ粽鹪O(shè)備要儲備一定的變形，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，隔震系統(tǒng)通過自身變形來消耗地震能量，保證上部結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。4)要有復(fù)位特性，地震發(fā)生時，隔震設(shè)備通過變形消耗地震的能量，地震結(jié)束后，隔震設(shè)備能夠恢復(fù)到原來的狀態(tài)，以預(yù)防地震下一次的發(fā)生。5)具有耐久性，隔震設(shè)備的應(yīng)用要有足夠的使用年限，具有防止被腐蝕等特性，使上部建筑一直處于安全狀態(tài)中。6)隔震設(shè)備的構(gòu)造應(yīng)符合施工的條件，方便建筑的施工安裝。

3 基礎(chǔ)隔震裝置

3.1 橡膠隔震支座

1)天然橡膠隔震支座。天然橡膠隔震支座是由薄橡膠層和薄鋼板層交互疊置，經(jīng)高溫、加壓并硫化制作而成。天然橡膠隔震支座的特性：a.橡膠層與鋼板層粘結(jié)成為一個整體，鋼板的剛度限制了橡膠層在豎向壓力作用下的橫向變形；b.在橡膠隔震層相同的情況下，橡膠單層的厚度決定了橡膠的豎向剛度；c.天然橡膠支座具有良好的耐久性，在使用10年后，橡膠仍完好。

2)鉛芯橡膠隔震支座。鉛芯橡膠隔震支座是在天然橡膠隔震支座的中心或非中心加入鉛芯制作而成的具有良好耗能能力的隔震支座。鉛是一種具有良好塑性變形能力和吸收能量的金屬，將鉛加入橡膠之中，能夠?qū)⑾鹉z的安定復(fù)原裝置和鉛的能量吸收結(jié)合起來，成為結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、性價比高的隔震支座。鉛芯橡膠隔震支座具有的性能：a.與天然橡膠相比，鉛芯橡膠隔震支座的拉伸剛度較低，約為壓縮剛度的1/7～1/10；b.水平變形穩(wěn)定，由于鉛芯的存在，能夠限制隔震支座的水平變形，鉛芯隔震支座的水平變形要比天然隔震支座的水平變形?。籧.鉛芯橡膠隔震支座的工作特點(diǎn)是通過鉛芯的大小來調(diào)整阻尼的大??；d.與天然橡膠一致，鉛芯橡膠隔震支座在使用100年后，橡膠依然完好，并且在使用10年后，鉛芯橡膠隔震支座的性能基本保持不變；e.在剪切變形為250%時能表現(xiàn)出穩(wěn)定的雙線滯回特性。

3)高阻尼橡膠隔震支座。高阻尼隔震橡膠支座是在天然橡膠中添加各種配合料來增加橡膠的滯后損失，降低橡膠的存儲模量等來提高橡膠阻尼性能的一種隔震裝置。高阻尼橡膠隔震支座具有的性能：a.與天然橡膠隔震支座一樣，有良好的蠕變能力；b.能在不同的氣候地區(qū)應(yīng)用；c.耐久性能良好，實(shí)驗(yàn)研究表明高阻尼橡膠隔震支座在應(yīng)用50年后，其等效阻尼比降低不到2%；d.維護(hù)成本低，大地震后恢復(fù)能力良好，無需更換。橡膠隔震支座示意圖見圖3。

3.2 滑動隔震支座

滑動隔震支座是在隔震層設(shè)置具有滑動材料的隔震支座，通過隔震支座減弱地震力對上部結(jié)構(gòu)的影響，保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定?；瑒痈粽鹬ё膭恿W(xué)特性：在地震前，隔震支座的整個系統(tǒng)的自振周期與建筑物的振動周期相同，一旦地震開始滑動后，整個系統(tǒng)的振動周期無窮大，能使隔震系統(tǒng)有效的避開地震波產(chǎn)生的共振效應(yīng)。

3.3 混合隔震支座

混合隔震支座是由橡膠隔震支座和滑動隔震支座組成的隔震支座。其中，橡膠支座具有較強(qiáng)的恢復(fù)剛度，可以使震后的隔震系統(tǒng)恢復(fù)到原來的位置；滑動支座具有良好的耗能能力和較大的阻尼，能減小地震對上部結(jié)構(gòu)的能量傳遞，保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?；旌细粽鹬ё哂袃蓚€自振周期：在地震之前的未滑動階段，其自振周期為結(jié)構(gòu)自振周期，地震發(fā)生后的滑動階段，其自振周期為橡膠隔震支座的隔震結(jié)構(gòu)周期。在建筑中應(yīng)用混合隔震支座能夠達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、有效的要求。

4 工程實(shí)例

工程概況：某工程建設(shè)項(xiàng)目，地上建筑為5層，其中建筑的每樓層的高皆為3.2 m，建筑地上總的高度為16 m，建筑的上部結(jié)構(gòu)為全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓蓋為普通梁板體系。建筑采用將隔震支座設(shè)置于基礎(chǔ)頂部的隔震裝置，此建筑為丙類建筑，設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)的基本加速度0.15g，場地類別Ⅱ類，地震分組第一組，不考慮近場影響。

4.1 基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)計(jì)算

本工程適合采用建筑隔震的規(guī)定，隔震層設(shè)在基礎(chǔ)頂部，橡膠隔震支座設(shè)置在受力較大的位置，橡膠隔震支座的規(guī)格參數(shù)、在建筑中應(yīng)用的數(shù)量以及分布情況，橡膠隔震支座的豎向承載力、阻尼的大小以及剛度等要求應(yīng)根據(jù)規(guī)范[5]通過計(jì)算確定。隔震層在罕遇地震下應(yīng)保持穩(wěn)定，應(yīng)具有較強(qiáng)的變形能力和恢復(fù)力，保證隔震系統(tǒng)能夠繼續(xù)抵御地震力的作用。計(jì)算簡圖如圖4所示。

確定目標(biāo)水平向減震系數(shù)為0.50，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并計(jì)算出每個支座上的軸向力，經(jīng)過計(jì)算建筑的中柱柱座的軸力為1 046.39 kN，邊柱柱座的軸力為1 034.02 kN。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，丙類建筑隔震支座平均應(yīng)力限值不應(yīng)大于15 MPa，據(jù)此確定每個支座的規(guī)格參數(shù)，根據(jù)承載力確定支座的數(shù)量及分布情況，基于本案例布置鉛芯橡膠隔振支座，總共布置了44個隔震支座，其中隔震支座的型號及參數(shù)如表1所示。

表1 隔震支座參數(shù)

型號設(shè)計(jì)承載力/kN豎向剛度kN/mm水平剛度/kN·mm-1等效阻尼γ=50%γ=250%γ=50%γ=250%GZY400188416792.0921.2160.2920.131

對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果如表2所示。

表2 上部結(jié)構(gòu)層間位移角

上部結(jié)構(gòu)滿足抗震規(guī)范設(shè)計(jì)[5]的要求。

4.2 應(yīng)用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益分析

本工程實(shí)例采用了44個GZY400鉛芯橡膠隔震支座，按照每個隔震支座的價格2 600元計(jì)算，則可計(jì)算得用于該工程的總的隔震支座的費(fèi)用為114 400元，建筑的地上建筑總面積為3 276 m2，則可得應(yīng)用隔震設(shè)備后每平方米增加的費(fèi)用約為35元。

以上的分析是僅僅考慮增加隔震設(shè)備的費(fèi)用，還有人工費(fèi)、機(jī)械使用費(fèi)、增加使用混凝土的費(fèi)用以及隔震設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用等等，但是，運(yùn)營商利用隔震技術(shù)在宣傳和利潤等方面獲得收益肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在建筑上利用隔震技術(shù)所進(jìn)行的投入。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在應(yīng)用隔震技術(shù)后，由于上部結(jié)構(gòu)措施簡化，即使隔震層及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施使費(fèi)用有所增加，但是對整個工程而言，結(jié)果表明總的土建造價仍減少5%左右[6]；多層的隔震房屋比傳統(tǒng)抗震房屋節(jié)省的土建造價：7度節(jié)省1%～3%，8度的節(jié)省5%～15%，9度的節(jié)省10%～20%[7]；應(yīng)用隔震技術(shù)在建筑建設(shè)的前期投入可能高于傳統(tǒng)的建筑建設(shè)，但從建筑的全壽命周期分析，建筑中應(yīng)用隔震技術(shù)還是具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[8]。因此，無論是從安全角度還是從經(jīng)濟(jì)效益方面，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)均有較大的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

我國處于三大板塊交界處，是地震多發(fā)地帶，人們越來越關(guān)注建筑在抵抗地震方面的能力。本文研究了基礎(chǔ)隔震技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)方面的應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)安全方面：隔震技術(shù)能夠減弱地震力對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震作用，保持上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，保護(hù)人們生命和財(cái)產(chǎn)的安全；在經(jīng)濟(jì)效益方面：在建筑上應(yīng)用隔震技術(shù)，不僅能夠降低土建總成本，還會使開發(fā)商獲得更大利潤。

在建筑上應(yīng)用隔震技術(shù)具有很好的成效，是減輕地震災(zāi)害一條有效的、合理的、安全的途徑，但是，隔震技術(shù)的應(yīng)用不是十分普遍，需要行業(yè)從業(yè)者的大力推廣和應(yīng)用。

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Application of base isolated technology in the construction★

Yu Youchuan

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Illustrates the theory of reduce seismic response and features of seismic isolation equipment, introduces the rubber isolation bearing and sliding isolation bearings and hybrid isolation bearings, analyzes the application in architectural design, economic benefits and advantages of base isolation technology, points out the base isolation technology is not very widely used in construction, should be promoted and applied.

architecture construction, base isolation principle, isolation bearing, economic benefits

1009-6825(2017)02-0052-03

2016-11-03★：東北林業(yè)大學(xué)國家級創(chuàng)新項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201610225059)

于有川(1996- )，男，在讀本科生

TU352.1

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