论建筑隔震技术

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摘 要：介绍了隔震建筑的发展及应用，并着重论述了叠层橡胶垫基础隔震技术，分析了低层建筑与高层建筑在隔震处理上的一些不同点，最后通过经济效益的论证，证明了隔震建筑的广泛应用前景

关键词：隔震 橡胶支座 经济

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

地震是我们在建造建筑物时永远不可避免的一个重要考虑因素，我国处于世界上两大火山地震带――环太平洋火山地震带和欧亚火山地震带之间，受太平洋板块印度洋板块以及欧亚板块的挤压，地震断裂带十分活跃。20世纪以来发生6级以上地震近800多次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外的所有省市自治区直辖市。地震活动频率高、震源浅、强度大、分布广，是一个震害非常严重的国家。1900年有记录以来，我国死于地震的人数达到55万之多，占同期世界死于地震总人口的53％，地震成灾面积达到30多万平方公里，房屋倒塌近700万间。尤其是近期发生的汶川大地震使举国震惊，我们清楚地见识到了地震的威力，大片房屋倒塌，大量的人员伤亡使我们迫切地意识到发展新型抵抗地震灾害的新方法和新技术的重要性。

传统的抗震方法，主要是针对建筑物的结构，通过合理的设计，保证建筑物在规定的烈度范围内不发生破坏，这是一种刚性抗震结构，其地震反应是放大晃动型，容易发生脆性破坏。而隔震技术是将过去的硬抗技术改为软抗,是在建筑物底部和基础顶部之间安放适当的缓冲物，使建筑物在受到地震波作用后的加速度反应大大减弱，同时让建筑物的位移主要由隔震系统承担，从而使建筑物在地震中产生的变形非常小，以达到防护目的。一般来说，基础隔震结构的地震反应只是抗震结构的1／4～1／12，大大提高了结构的安全度。通过这种以柔克刚的方法可以使建筑物在地震中受到较小的伤害。

二、隔震技术的发展经过了早期的萌芽阶段与现代的发展阶段

（一）基础隔震技术的早期阶段

基础隔震概念最早是由日本学者合浩藏于1881年提出的，认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土基础上盖房，以削弱地震传递的能量。

1909年，美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母，这样地震时建筑物会发生滑动，以达到隔离地震的目的；

1921年，美国工程师F．L．莱特在设计日本东京帝国饭店时，有意用密集的短桩穿过表层硬土，直接插到软泥土层底部，利用软泥土层作为隔震层。1923年关东大地震发生，附近同类建筑毁坏严重，但这个建筑却保持完好；

1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案。1927年，日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置，在隔震理论方面进行了有益的探索。

在这一阶段，虽然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理论基础，但限于当时的水平与条件，基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发。

（二）基础隔震的现代阶段

随着地震工程理论的逐步建立以及实际地震对结构工程的进一步考验，特别是近二三十年来，由于采用大量的强震记录仪对地震进行观测，使人们较快地积累了有关隔震及非隔震结构工作性能的定量化经验，从而对早期提出的一些隔震方法进行了淘汰与升华。其中叠层橡胶垫基础隔震体系被认为是隔震技术迈向实用化最卓有成效的体系。

1984年新西兰建造了世界上第一幢以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物；1985年美国建成第一座4层的叠层橡胶垫隔震大楼加州•圣丁司法事务中心；1986年日本又建成一幢5层高技术中心楼，采用铅芯橡胶垫。目前，世界上大约有30多个国家在开展这方面的研究，这项技术已被应用在桥梁、建筑，甚至是核设施上。截止目前，世界上大约已建成了3100多幢基础隔震建筑。

常见的隔震技术有叠层橡胶支座技术、砂垫层隔震技术、石墨垫层隔震、摩擦滑移支座隔震及橡胶隔震支座与摩擦滑移支座联合隔震。这其中发展较为迅速的是叠层橡胶垫支座隔震技术。

隔震橡胶支座是由一层钢板一层橡胶层层叠合而成，并经过加工使其紧密地连接在一起的。首先，隔震支座有高的竖向承载能力和较小压缩的变形，可以保证建筑物的安全；此外叠层橡胶垫支座还有很大的水平方向的变形能力，在地震作用下可以隔离水平方向上的地震分量；第三隔震橡胶支座具有弹性复原特性，地震后可以使建筑物自动恢复原位。采用隔震橡胶垫支座的建筑物，设防目标一般可以增加一个等级，传统抗震建筑的设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，而设计合理的基础隔震建筑可以做到“小震不坏，中震不坏或轻度破坏，大震不失去功能”

目前，我国叠层橡胶垫基础隔震体系发展迅速，已经用在各种类型的建筑中，但是高层建筑与低多层建筑相比还有其一些本身的特点。首先，高层隔震建筑的上层结构不能满足刚体假定，高阵型反应分量的影响不可以忽视，不能以结构第一阵型为主确定上部结构反应；二是由于高层超高层建筑的水平地震力产生的倾覆力矩较大，在较大强风和地震力的作用下隔震支座中可能会有拉应力产生如何避免隔震支座中拉应力的产生成为一个重大问题，第三是高层超高层建筑的自振周期都比较长，所以必须进一步延长高层和超高层建筑的基本周期，已达到更好的效果，低弹性、大变形支座的开发在强震和强风地区有很好的研究前景。

三、隔震技术在低层和多层建筑中的应用

对于低层和多层建筑，由于其主要是砖砌体结构体系，由于砖砌体的材料脆性性质，其整体性极差，以及砌筑质量的高离散型，其抗震性能较差，历次震害统计中表明，砌体结构受到的地震破坏最为严重，目前，在设计使用中，多层楼房局部跃层、错层越来越多，沿街大多出现底框建筑，抗震性能极差，居民装修使结构的损害较大，在地震来临时其抗震性能令人担忧。从下表中我们可以看到隔震技术主要应用于低层和多层建筑中。

序号 地点 层数 结构类型 建成时间 高度

1 汕头 8 R.C框架 1993 27

2 西昌 6 砌体混合 1994 17

3 澄海 8 R.C框架 1995 26

4 广州 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

隔震在我国部分地区住宅中的应用

近20年来，基础隔震技术在工程中得到广泛的应用。据不完全统计，到2003年仅日本就已经建成1300多栋隔震建筑，我国到现在也建设了300多栋隔震建筑，与传统抗震建筑相比，采用隔震技术的建筑物的安全性和减震效果在几次地震中得到检验隔震建筑的最大水平加速度仅为传统抗震结构的1/3～1/5。

从技术方面来讲，隔震技术的研究在抗震技术的发展过程中发展较早，目前，已经相当成熟，包括中国在内的世界上许多国家都已经制订了隔震建筑设计的规范和相关标准。但是，从工程普及角度讲还远远不够。

首先是经济方面的考虑，在工程抗震界，以往的研究大多集中于抗震理论和设计方法的研究，而对具体的经济指标的评价做的不够，这样往往导致研究与实际工程脱节，使得大部分的人认为采用隔震体系会导致建筑物的工程造价大大提高，其实正好相反，采用隔震技术建造的房屋从长远角度讲会使建筑物的成本下降。

同非隔震建筑相比，基础隔震建筑在技术经济方面有了一些变化。

第一，在结构造价方面，增加的部分有隔震部分的设计费用；隔震构件的费用；隔震层上增加一层楼面的费用；隔震层引起的工程量的增加费用。但是由于利用了隔震技术使得基础费用降低，由于隔震技术使得上部结构的抗震设防目标增加了一个等级，使得墙体变薄，结构构件使用上也变少，带来了一定的费用降低。

第二，由于现在主要使用的是叠层橡胶垫基础隔震技术，而橡胶是一种极易老化的材料，一般的使用寿命最多达到60年，所以使用基础隔震技术相应的增加了维护和拆除的费用。

第三，由于隔震技术使得上部结构墙体变薄，相应的带来的效果就是使用面积的增大。

第四，采用隔震技术一般可以使建筑物的高度增加一层，这样就可以带来很可观的经济效益。

第五，我们分析建筑的经济效益时不仅仅要分析表面上看得着的经济问题，还要研究其隐含的经济问题。隔震技术能够降低房屋的地震作用，使房屋在地震中不易破坏。同时也能减少地震所引起的火灾等次生灾害，城市瘫痪、社会长期不安等，尤其是人员伤亡（据统计，在地震中所导致的人员伤亡90都是由于房屋倒塌造成的），而隔震技术能很好地减少这些次生灾害。

再次，是基础隔震技术对技术要求相当的严格，就拿叠层橡胶垫基础隔震支座来说：（一）叠层橡胶垫基础隔震体系的动力特性不仅随着结构体系的不同而变化，而且与安放位置的不同也发生变化，因此，在设计时不但要进行相应的概念设计，而且要从多个角度进行动力分析，合理、准确地把握动力响应才能保证做出准确安全的设计。（二）在隔震结构中要真正做到基础与上部结构隔离，还需要进行一些关键部位的构造处理。如低层楼梯与主体结构的隔离处理；上下水、煤气、供暖及配电管道穿越隔震层时的柔化处理。有一方面处理不当，都会使结构在地震中遭到巨大的损失。（三）除此之外，叠层橡胶垫基础隔震层对施工的要求是比较严格的，隔震层的位移不能受任何原因的干扰和约束，施工时不能损伤隔震器及其附件，并要求隔震器的安装要有较高的水平度以保证在受到地震作用时能够完成复位。

四、结论

综合分析可以知道，基础隔震建筑大大降低地震灾害，由于上部地震作用减少，结构跨度、进深可增大，结构构件减小使得房屋的使用面积增大，虽然房屋的建设费用增加了一些，但与所带来的经济效益相比，较少的增加了结构造价，较大地增加了经济效益。综合经济和社会效益，尤其是在降低社会损失方面，其效果更加明显。有专家从广州、太原、西昌等地隔震技术建造的房屋进行经济评估后得知，隔震房屋比传统抗震房屋节省土建造价为：7度减少1%～3%，8度减少5%～15%，9度减少10%～20%。特别是在高烈度区，采用隔震技术可以比采用原来的隔震技术在原有基础上多建造1到2层，土地更加节约，带来了更好的经济效益。

隔震建筑与传统的抗震建筑相比，不论是在减小地震灾害还是在经济方面都有其较大的优势，故隔震建筑是未来建筑控震的发展趋势，随着技术的发展，现在存在于隔震建筑中的一些难点如叠层橡胶垫基础隔震技术在高层建筑中遇到的如拉应力的处理，以及高寿命橡胶的研究都是现在研究的热点。

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作者简介：

包立新（1967-），男，蒙古族，1990年毕业于呼伦贝尔城建中专工民建专业，2006年毕业于沈阳建筑大学土木工程专业， 呼伦贝尔市建筑工程质量监督站工程师。研究方向： 工程质量监督。