高层房屋隔震和避震混合探索之路

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摘要：将房屋上部与下部分离，并且在房屋上部与房屋下部之间建立一层面积与房屋底面积相等的隔震层。房屋上部与房屋下部完全分离，当地震水平力小于房屋的最大静摩擦力时，由于有隔震层有效地吸收地震能量，限制和减少地震能量向房屋上部结构传递，使房屋受到保护不至于遭到破环；当地震水平力大于最大静摩擦力时，地面和地基运动而房屋不动，房屋受到的水平力等于动摩擦力，小于地震水平力，也是由于隔震层有效地吸收地震能量，限制和减少地震能量向房屋上部结构传递使房屋受到保护不至于遭到破环，从而达到对房屋的隔震和防震。

关键词：水平力 避震 隔震 碎石层 橡胶抗震实质上是以硬碰硬的方式与大自然对抗。一旦发生地震，在地壳断裂带及附近数百米范围内，地面错动会产生强大的竖向力（地震力分为竖向力和水平力），所以地震基本上不可抗拒，房屋仍会倒塌。但是断裂带以外的广大地震影响区域，房屋主要承受的是地震水平力的冲击。所以本文主要讨论如何尽可能减少断裂带以外区域的房屋所受的地震水平力而达到对房屋隔震和避震的预期效果。

1.避震和隔震思路

1.1避震思路

避震思路就是使房屋脱离水平运动系统。这分为两种情况，其一是使桩基与房屋上部结构及其基岩脱离；其二是使房屋整体与地面，或使房屋上部结构与房屋下部结构脱离。

1.1.1使桩基与房屋上部结构及基岩脱离

如图1所示：桩基的上端脱离上部结构，下端脱离基岩。桩基跟随地面的覆盖层做无约束的水平运动，桩身既无弯矩也无剪力，桩就不会破坏。

在工程实践中，可以将桩底端平放在基岩上，不做嵌入处理，只要基岩的持力面平整，桩不滑移即可。桩的上端加设纵横双向的桩顶梁，将群桩连成整体，桩顶梁房屋与上部结构脱离，这样处理之后，桩基础脱离上部结构成为人工地基，可视为地面的一部分，与符合竖向承载能力要求的其他天然地基没有区别。

图1桩基房屋避震处理

1.1.2使房屋整体与地面，或房屋上部结构与房屋下部结构脱离

如上所述，当桩基已成为地面的一部分之后，使房屋脱离地面水平运动系统的问题就变得明朗起来，只要能满足竖向承载能力的要求，无论是其覆土层，或是基岩，或是桩基，或是其他地基，均无区别，都是地基。房屋的上部结构，无论有无地下室，亦无区别都是房屋。

1.2隔震思路

隔震思路就是在房屋上部结构和房屋下部结构之间建立隔震装置。

1.2.1传统的隔震思路

传统隔震思路的隔震装置中主要是隔震支座，隔震支座是隔震结构的主要构件，一般使用叠层橡胶支座。

叠层橡胶支座如图2所示：橡胶和钢板如三明治状交互叠置在一起。因为橡胶的弹性模量很小，近似具有非压缩性，把橡胶做成薄层，用钢板来约束轴向压力产生的横向膨胀，则轴向变形减小，并且会产生很强的抗压能力。叠层橡胶支座若受到水平方向的作用力，会根据自身的弹性模量变形（表面上的剪切变形）。这样就形成了一种竖向坚固，水平柔软的支座。

图2叠层橡胶支座结构图

1.2.2隔震新思路

如图3所示：本文的隔震装置并未使用叠层橡胶支座，本文是在房屋上部与房屋下部之间加入一层面积与房屋底面积相等的叠层橡胶隔震层，功能比叠层橡胶支座更强大。由于叠层橡胶隔震层的面积远远大于叠层橡胶支座，钢板对橡胶受到轴向压力产生的横向膨胀的约束强很多，相应的轴向变形更小，也会产生更强的轴向抗压能力。

图3叠层橡胶隔震层结构图

叠层橡胶隔震层的支承性能，尤其是在承受荷载状态下的水平变形很重要，为了确保水平变形能力，可以增加橡胶的层数，即加厚橡胶层，但是竖向的支承力会降低，水平刚度的相关性会变大。

叠层橡胶隔震层受压时，橡胶会向外侧变形，但是由于受到内部钢板的约束，以及考虑到橡胶的非压缩性（泊松比约为0.5），橡胶层中心会形成三向受压状态（静水压）。正如水被封闭在橡胶中（分子的网状结构）一样，橡胶层变成“不漏之水”，因此受压时的变形量很小。

叠层橡胶隔震层受剪力作用时，由于钢板不约束橡胶层的剪切变形（体积不变），橡胶片可以发挥自身柔软的的水平特性，叠层橡胶隔震层即使发生较大变形时，也仍然具有承载能力。另外，发生剪切变形时，由橡胶而产生的“水”的约束变小，使得压缩刚度与承载部分的截面积成比例减小，但竖向变形依然会很小。正是这种承载机构使得叠层橡胶隔震层承受较大竖向载荷的同时，也可以承受较大的水平变形。

2.避震和隔震混合新思路

如图4所示：避震思路中，虽然已将房屋上部与房屋下部分离，但是很有可能由于房屋自重产生竖向载荷，使房屋上部与房屋下部之间产生摩擦力，地震时房屋上部受到的水平力主要为摩擦力（相比之下其他力很小，可以略去不计），一方面小震时因为摩擦力等于地震水平力，静摩擦力使房屋上部结构固结于基础上，房屋上部并未脱离房屋下部，房屋不受破坏；另一方面虽然房屋上部受到的水平力等于动摩擦力小于地震水平力，房屋上部脱离房屋下部，不随房屋下部和地面运动，此时房屋受到的水平力近似等于动摩擦力，可能因为动摩擦力导致房屋上部受到的水平力过大，使房屋上部的薄弱结构破坏。

图4基岩房屋避震处理

隔震思路中，在房屋上部与房屋下部之间加入一层面积与房屋底面积相等的叠层橡胶隔震层，橡胶隔震层能够缓冲的水平力相当可观，在地震中将缓冲掉相当可观的地震水平力。

在避震思路中加入隔震思路会有什么样的结果呢？是不是会弥补避震思路中可能因为动摩擦力导致房屋上部受到的水平力过大，使房屋上部的薄弱结构破坏？于是产生下面的避震和隔震混合新思路。

如图5所示：避震和隔震混合新思路的设想就是在房屋上部与房屋下部之间加入一层面积与房屋底面积相等的橡胶隔震层。由于橡胶隔震层的存在将会缓冲掉很大一部分摩擦力，地震时使房屋受到的地震水平力远远小于最大静摩擦力，从而达到保护上部薄弱结构在地震中不受破坏的目的。

在地基上铺设碎石层，使房屋能在其上滑动。碎石层的面积略大于房屋底面积，预留房屋的平移空间。碎石层的厚度，可根据地基的压缩性能和房屋的重量由设计决定。