基礎隔震技術的早期發(fā)展

基礎隔震技術的早期發(fā)展

地震是一種嚴重的隨機性自然災害。在長期斗爭的歷史過程中，人們不斷總結和豐富。傳統(tǒng)的抗震設計考慮彈塑性設計方法,采用增加強度的方法來抵御地震,在地震作用下結構本身可以發(fā)生破壞,但是不至于倒塌,以達到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設計理念。然而地震加速度是沿著結構的高度呈三角形狀增大,在地震荷載的作用下,通過采用增加強度的方法,結構本身可以有效地防止破壞,但是在加速度的影響下,結構空間內(nèi)部的設備可能遭到損壞。目前國內(nèi)外普遍采用傳統(tǒng)的抗震技術的基礎上提出了新的設計理念———結構控制理論,基礎隔震就是結構被動控制理論中一種。所謂的基礎隔震,就是在建筑物的上部結構和基礎頂面之間設置一層可靠的隔震層,使上部結構與基礎分離,地震時基礎可以有很大的運動,但隔震裝置的變形阻隔地震波的向上部結構的傳播,結構可以有相對較小的運動,結構的動力變形也大大減小,從而保護結構免遭地震的破壞。1結構工程階段抗日戰(zhàn)爭基礎隔震技術的早期階段,基礎隔震概念最早是由日本學者河合浩藏于1881年提出的,他認為先在地基上縱橫交錯放置幾層圓木,圓木上做混凝土基礎,再在混凝土基礎上蓋房,以削弱地震傳遞的能量。1909年,美國的J·A·卡蘭特倫茨提出了另外一種隔震方案,即在基礎與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母,這樣地震時建筑物會發(fā)生滑動,以達到隔離地震的目的。1921年,美國工程師F·L·萊特在設計日本東京帝國飯店時,有意用密集的短樁穿過表層硬土,直接插到軟泥土層底部,利用軟泥土層作為隔震層。1923年關東大地震發(fā)生,附近同類建筑毀壞嚴重,但這個建筑卻保持完好。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,但限于當時的水平與條件,基礎隔震技術的應用未被很好地研究與開發(fā)。隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結構工程的進一步考驗,特別是近二三十年來,由于采用大量的強震記錄儀對地震進行觀測,使人們較快地積累了有關隔震及非隔震結構工作性能的定量化經(jīng)驗,從而對早期提出的一些隔震方法進行了淘汰與升華。其中疊層橡膠墊基礎隔震體系被認為是隔震技術邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w系?，F(xiàn)在,我國已建造了40余幢各類基礎隔震體系的建筑砂墊層滑移摩擦體系、石墨砂漿滑移體系、懸掛隔震結構體系等,其中絕大多數(shù)采用的是粘結型疊層橡膠墊隔震體系。2結構的地震加速度反應基礎隔震結構的物理模型單質(zhì)點模型如圖1所示。假定上部結構為剛體,由此計算水平地震作用下隔震層的反應。該模型可在估算時采用。式中:¨xg為地震波水平加速度;¨xs為上部結構相對于基礎的加速度;m為質(zhì)量上部結構與基礎的連接部分是一個彈性元件與一個粘性元件的并聯(lián);k為彈性系數(shù);c為粘滯系數(shù)。振動方程為:設輸入的波為簡諧波帶入到上式得:式中:Ra為質(zhì)點的地震加速度反應與地面地震加速度之比。令ψ=ω/ωn,可以作出Ra和ψ之間的關系圖,如圖2示。從圖中可以看出,圖中8條曲線有一個交點,對應的點是Ra=1,ω/ωn=1.4142。(1)當ω/ωn>1.4142時,Ra<1。阻尼比對結構的加速度反應影響比較小,同時ω/ωn越大,Ra越小。(2)當ω/ωn<1.4142時,Ra>1。阻尼比對結構的加速度反應影響比較大,結構的地震加速度反應被放大。一般的建筑結構處于這個范圍內(nèi)。(3)當ω/ωn趨近于1.0時,Ra≥1。結構與場地共振。地震反應可達到很大值,將導致結構的嚴重破壞或倒塌。(4)ξ越小,結構的地震加速度反應越大。從以上分析得出結論:為了避開結構與場地共振,可以用增大ω/ωn辦法;對于未發(fā)生的地震頻率ω是無法確定的,而只能通過減小ωn來提高ω/ωn的比值;為了減小地震的作用需增大該比值,又因為要減小ωn,只有減小剛度K或增大質(zhì)量m,而一般結構質(zhì)量不會有很多的變化,因此只能通過減小剛度K來減小ωn,也增大了ξ。要減小剛度K,增大c值,可以在建筑物的底部加一層水平剛度小、粘性大、豎向承載力高的疊層橡膠支座。示意圖如圖3所示。3基本振動源分類3.1自動復位的裝置滾軸隔震裝置是1966年日本人松下清夫提出的一項專利,該裝置是在基礎與上部結構之間設置上、下兩層彼此垂直的滾軸,滾軸在橢圓形的弧溝槽內(nèi)滾動,因而該裝置具有自動復位的能力。墨西哥工程師弗洛利斯設計了一種滾球裝置,已安裝在墨西哥城的一幢五層鋼筋混凝土框架結構的教學樓的柱腳處,隔震器由兩層直徑500mm的鋼盤構成,中間裝置100~400個直徑為0.97cm的鋼珠,油盤潤滑,外套密封塑料防塵罩,允許位移可達12cm(圖4)。蘇聯(lián)克里米亞的塞瓦斯托波爾也建成一幢以橢圓形鋼球為支承的隔震試驗樓,7層鋼筋混凝土結構,自振周期為3s,比按傳統(tǒng)作法的結構提高6倍,已經(jīng)受了1977年的地震考驗。3.2多組合成單元懸掛大跨墻板混凝土預冷劑,保證安全穩(wěn)定工作1959年,蘇聯(lián)在阿什哈德建成了世界上第一幢采用基礎懸吊隔震的3層磚混樓房。整個建筑物的基礎,用鋼桿懸吊在地下室框架的橫梁上。該樓房經(jīng)過1966年塔什干地震考驗,居民甚至感覺不到震感,該樓房可在10度地震作用下保證安全。法國有一棟學生宿舍,每三層做為一個單元,懸掛在3個巨大的門式鋼架上,這種做法可以降低動力反應2~3.5倍。西德慕尼黑BMW公司辦公大樓共19層,高度96m,全部體系通過四根直徑90cm的預應力鋼筋混凝土吊桿,懸掛在鋼筋混凝土內(nèi)筒之上。我國唐山陡河電站兩臺400t/h鍋爐,也是懸掛在多層鋼筋混凝土框架上的。唐山地震后,框架結構本身震害很輕,僅需簡單修復即可使用,而其他非懸吊設備的框架毀壞嚴重。3.3橡膠墊防振性能在結構物底部安裝橡膠墊塊的作法,最早是以防震為目的的。1964年,英國倫敦譫姆期公園建成了一幢用橡膠墊防振的公寓樓,以期減輕附近地鐵造成的振動影響。所用橡膠塊厚20~30cm,實測表明,在3~30Hz范圍內(nèi),它使樓房的振動反應降到不設膠墊時的1/3~1/5。伯明翰彩色電視播音室的墻底,也安裝了厚2.5cm的橡膠石棉墊塊,以減輕附近火車站和公路車輛重量的影響。4試驗結果與分析橡膠支座隔震是通過增加橡膠支座,使整個結構的自震周期延長,以減輕上部結構的地震反應。一般在建筑物的底部設置橡膠支座,利用橡膠的水平柔性形成一道柔性的隔層,并減少能量的向上傳播,不僅可以保證了結構的整體安全,并可以有效的防止建筑物的內(nèi)部裝修、室內(nèi)設備的損壞和由此引發(fā)的次生災害。疊層橡膠墊基礎隔震體系的隔震層是由若干個隔震器所組成。隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器,分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。這種隔震體系的周期長、阻尼比大,隔震效果明顯。尤其采用后兩種隔震器,不需再另外附加阻尼器,在諸多的抗震試驗中,發(fā)現(xiàn)疊層橡膠墊基礎隔震有以下的優(yōu)勢:(1)該體系的豎向承載力大,一般單個的隔震器豎向承載力設計值可達數(shù)千,極限承載可以達到上萬噸以上。(2)該體系的隔震層具有穩(wěn)定的彈性復位功能,能在多次地震中自動瞬時復位。這是摩擦滑移隔震。(3)隔震效果明顯,其加速度反應大大低于非隔震結構,且理論分析結果與實驗結果比較吻合。如日本東京一幢22.8m高的鋼筋混凝土基礎隔震樓,在1987年12月17日千葉近海發(fā)生的6.7級地震中,實測地面加速度為43.8cm/s2,而樓頂?shù)淖畲蠹铀俣葍H為11.9cm/s2。在疊層橡膠墊基礎隔震體系課題的研究過程中,通過對4種不同類型結構隔震體系的分析與計算,可看出震設防烈度為8度的地區(qū),若采用疊層橡膠墊基礎隔震體系,上部結構的設防烈度可降低1~2度,且有較大的安全儲量。(4)隔震器的耐久性好,抗低周疲勞性能、抗熱空氣老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均較好。通過對產(chǎn)品試件的各類性能測試,其使用壽命在60~80年。最近日本曾將一幢使用了10年之久的疊層橡膠墊基礎隔震樓中的隔震器更換下來進行各類性能測試,結果發(fā)現(xiàn),其各類指標與10年前相比,幾乎沒有什么變化。盡管疊層橡膠墊隔震結構有諸多明顯的優(yōu)點,但在研究過程中發(fā)現(xiàn),該體系在動力性能方面要求相當嚴格,不論從設計還是到施工,都與傳統(tǒng)的非隔震結構有很大的區(qū)別。為了保證分析與計算結果的可靠性,分別采用4條途徑分析了不同類型的四種結構體系的動力響應,發(fā)現(xiàn):(1)疊層橡膠墊基礎隔震結構的動力特性,不但隨結構體系的類型不同而變化,而且與隔震器安裝位置的不同也有很大關系。因此,在設計時不但要對其進行專門的概念設計,而且應從多角度進行動力分析,合理、準確地把握其動力響應,才能保證做出安全、可靠的設計。(2)疊層橡膠墊基礎隔震體系的隔震層對施工的要求是比較嚴格的。隔震層的位移不能受任何原因的干擾和約束,施工時不能損傷隔震器及其附件,并要求隔震器安置有較高的水平,以確保地震時隔震層能發(fā)生水平位移并瞬時復位。(3)由于疊層橡膠墊隔震體系具有豎向承載力大、彈性復位功能強、隔震效果明顯等性能優(yōu)勢,因此在設計中,對傳統(tǒng)樓房的高度限值和安全距離等限制條件均可適當放寬。5對傳統(tǒng)結構的震級對比1992年2月2日日本東京灣地震,震級5.9,東京離震中23km,震度5度(相當于我國烈度7度左右)。離震中58km外兩幢同樣結構的三層鋼筋混凝土住宅,一幢基礎隔震結構(夾層橡膠墊隔震),一幢非隔震結構(傳統(tǒng)結構)。地震記錄分析:隔震結構的水平加速度反應(即結構總水平地震作用值)為傳統(tǒng)結構的1/5~1/4;層間地震剪切作用值為傳統(tǒng)結構的1/16;豎向震動加速度反應僅為傳統(tǒng)結構的69%;傳統(tǒng)結構的振型為從下至上不斷增大的“放大型”,而隔震結構的振型為“整體平動型”。而對于日本板神大地震中,西部郵政大樓地震記錄的分析和松村研究所兩幢對比樓地震記錄的分析;美國北嶺地震中南加州大學醫(yī)院大樓地震記錄的分析以及經(jīng)受中國臺灣海峽地震考驗的汕頭隔震樓的分析等都得出相一致的結論:隔震結構可以明顯有效地減輕結構的地震反應,從而能非常有效地保護結構物及內(nèi)部設備在強地震沖擊下免遭破壞?；A隔震結構旨在依靠限制而非抵抗地震作用來保護結構不受地震的破壞。隔震限制地震作用力,因為柔性基礎使結構與水平地面運動在很大程度上解除了耦聯(lián)關系,結構的反應加速度一般要比地面加速度小,阻尼裝置消耗了輸入地震動的能量,使傳遞到隔震結構上的作用力進一步減小。由于采用基礎隔震結構上部結構地震作用減小,能夠確保安全而且抗震措施簡單明了,對上部結構的建筑設計的限制較小,震后只需簡單修復甚至無需修復。6基礎隔震技術的研究對于基礎隔震體系來說夾層橡膠墊應用技術較成熟,基礎隔震理論與技術取得了顯著的進步,基礎隔震體系的減震效果比較明顯,具有廣泛的應用前景。現(xiàn)階段隔震技術的研究趨勢:(1)隔震系統(tǒng)的研究開發(fā)向多樣化發(fā)展,即兩種或多種隔震方法組合運用,力求揚長避短,這是以后防震研究的重點;(2)隔震系統(tǒng)的維護保養(yǎng)和耐久性的研究;(3)研制各種造價低、穩(wěn)定可靠、施工方便、低成本的隔震裝置系統(tǒng),并推廣運用;(4)隔震技術在高層中的運用;(5)強震作用下的地震反應和控制規(guī)律的研究;(6)多維地震控制技術的研究,研究能控制一維、二維、三維及扭轉(zhuǎn)震動的技術。日本三維減震系統(tǒng)已研制成功,但我國還處在研究階段,基礎隔震技術還存在一些不足:(1)目前夾層橡膠隔震支座對一般的建筑物僅考慮水平隔震,對豎向地震幾乎沒有顯著的減震作用,對一些大跨度和長懸臂結構,豎向地震作用影響會很大。(2)由于地震荷載作