基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期發(fā)展

基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期發(fā)展

地震是一種嚴(yán)重的隨機(jī)性自然災(zāi)害。在長(zhǎng)期斗爭(zhēng)的歷史過(guò)程中，人們不斷總結(jié)和豐富。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)考慮彈塑性設(shè)計(jì)方法,采用增加強(qiáng)度的方法來(lái)抵御地震,在地震作用下結(jié)構(gòu)本身可以發(fā)生破壞,但是不至于倒塌,以達(dá)到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設(shè)計(jì)理念。然而地震加速度是沿著結(jié)構(gòu)的高度呈三角形狀增大,在地震荷載的作用下,通過(guò)采用增加強(qiáng)度的方法,結(jié)構(gòu)本身可以有效地防止破壞,但是在加速度的影響下,結(jié)構(gòu)空間內(nèi)部的設(shè)備可能遭到損壞。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用傳統(tǒng)的抗震技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計(jì)理念———結(jié)構(gòu)控制理論,基礎(chǔ)隔震就是結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制理論中一種。所謂的基礎(chǔ)隔震,就是在建筑物的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置一層可靠的隔震層,使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分離,地震時(shí)基礎(chǔ)可以有很大的運(yùn)動(dòng),但隔震裝置的變形阻隔地震波的向上部結(jié)構(gòu)的傳播,結(jié)構(gòu)可以有相對(duì)較小的運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)的動(dòng)力變形也大大減小,從而保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭地震的破壞。1結(jié)構(gòu)工程階段抗日戰(zhàn)爭(zhēng)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)者河合浩藏于1881年提出的,他認(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)。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?，F(xiàn)在,我國(guó)已建造了40余幢各類(lèi)基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)體系等,其中絕大多數(shù)采用的是粘結(jié)型疊層橡膠墊隔震體系。2結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的物理模型單質(zhì)點(diǎn)模型如圖1所示。假定上部結(jié)構(gòu)為剛體,由此計(jì)算水平地震作用下隔震層的反應(yīng)。該模型可在估算時(shí)采用。式中:¨xg為地震波水平加速度;¨xs為上部結(jié)構(gòu)相對(duì)于基礎(chǔ)的加速度;m為質(zhì)量上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的連接部分是一個(gè)彈性元件與一個(gè)粘性元件的并聯(lián);k為彈性系數(shù);c為粘滯系數(shù)。振動(dòng)方程為:設(shè)輸入的波為簡(jiǎn)諧波帶入到上式得:式中:Ra為質(zhì)點(diǎn)的地震加速度反應(yīng)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(guān)系圖,如圖2示。從圖中可以看出,圖中8條曲線有一個(gè)交點(diǎn),對(duì)應(yīng)的點(diǎn)是Ra=1,ω/ωn=1.4142。(1)當(dāng)ω/ωn>1.4142時(shí),Ra<1。阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)影響比較小,同時(shí)ω/ωn越大,Ra越小。(2)當(dāng)ω/ωn<1.4142時(shí),Ra>1。阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)影響比較大,結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)被放大。一般的建筑結(jié)構(gòu)處于這個(gè)范圍內(nèi)。(3)當(dāng)ω/ωn趨近于1.0時(shí),Ra≥1。結(jié)構(gòu)與場(chǎng)地共振。地震反應(yīng)可達(dá)到很大值,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞或倒塌。(4)ξ越小,結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)越大。從以上分析得出結(jié)論:為了避開(kāi)結(jié)構(gòu)與場(chǎng)地共振,可以用增大ω/ωn辦法;對(duì)于未發(fā)生的地震頻率ω是無(wú)法確定的,而只能通過(guò)減小ωn來(lái)提高ω/ωn的比值;為了減小地震的作用需增大該比值,又因?yàn)橐獪p小ωn,只有減小剛度K或增大質(zhì)量m,而一般結(jié)構(gòu)質(zhì)量不會(huì)有很多的變化,因此只能通過(guò)減小剛度K來(lái)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(dòng)源分類(lèi)3.1自動(dòng)復(fù)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(xiàng)專利,該裝置是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(dòng),因而該裝置具有自動(dòng)復(fù)位的能力。墨西哥工程師弗洛利斯設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的教學(xué)樓的柱腳處,隔震器由兩層直徑500mm的鋼盤(pán)構(gòu)成,中間裝置100~400個(gè)直徑為0.97cm的鋼珠,油盤(pán)潤(rùn)滑,外套密封塑料防塵罩,允許位移可達(dá)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?yàn)橹С械母粽鹪囼?yàn)樓,7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),自振周期為3s,比按傳統(tǒng)作法的結(jié)構(gòu)提高6倍,已經(jīng)受了1977年的地震考驗(yàn)。3.2多組合成單元懸掛大跨墻板混凝土預(yù)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(chǔ)懸吊隔震的3層磚混樓房。整個(gè)建筑物的基礎(chǔ),用鋼桿懸吊在地下室框架的橫梁上。該樓房經(jīng)過(guò)1966年塔什干地震考驗(yàn),居民甚至感覺(jué)不到震感,該樓房可在10度地震作用下保證安全。法國(guó)有一棟學(xué)生宿舍,每三層做為一個(gè)單元,懸掛在3個(gè)巨大的門(mén)式鋼架上,這種做法可以降低動(dòng)力反應(yīng)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(guò)四根直徑90cm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土吊桿,懸掛在鋼筋混凝土內(nèi)筒之上。我國(guó)唐山陡河電站兩臺(tái)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(jié)構(gòu)本身震害很輕,僅需簡(jiǎn)單修復(fù)即可使用,而其他非懸吊設(shè)備的框架毀壞嚴(yán)重。3.3橡膠墊防振性能在結(jié)構(gòu)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(guó)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(dòng)影響。所用橡膠塊厚20~30cm,實(shí)測(cè)表明,在3~30Hz范圍內(nèi),它使樓房的振動(dòng)反應(yīng)降到不設(shè)膠墊時(shí)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(chē)站和公路車(chē)輛重量的影響。4試驗(yàn)結(jié)果與分析橡膠支座隔震是通過(guò)增加橡膠支座,使整個(gè)結(jié)構(gòu)的自震周期延長(zhǎng),以減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。一般在建筑物的底部設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)備的損壞和由此引發(fā)的次生災(zāi)害。疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的隔震層是由若干個(gè)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(zhǎng)、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(yàn)中,發(fā)現(xiàn)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震有以下的優(yōu)勢(shì):(1)該體系的豎向承載力大,一般單個(gè)的隔震器豎向承載力設(shè)計(jì)值可達(dá)數(shù)千,極限承載可以達(dá)到上萬(wàn)噸以上。(2)該體系的隔震層具有穩(wěn)定的彈性復(fù)位功能,能在多次地震中自動(dòng)瞬時(shí)復(fù)位。這是摩擦滑移隔震。(3)隔震效果明顯,其加速度反應(yīng)大大低于非隔震結(jié)構(gòu),且理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。如日本東京一幢22.8m高的鋼筋混凝土基礎(chǔ)隔震樓,在1987年12月17日千葉近海發(fā)生的6.7級(jí)地震中,實(shí)測(cè)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(chǔ)隔震體系課題的研究過(guò)程中,通過(guò)對(duì)4種不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)隔震體系的分析與計(jì)算,可看出震設(shè)防烈度為8度的地區(qū),若采用疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系,上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度可降低1~2度,且有較大的安全儲(chǔ)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(guò)對(duì)產(chǎn)品試件的各類(lèi)性能測(cè)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(chǔ)隔震樓中的隔震器更換下來(lái)進(jìn)行各類(lèi)性能測(cè)試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),其各類(lèi)指標(biāo)與10年前相比,幾乎沒(méi)有什么變化。盡管疊層橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)有諸多明顯的優(yōu)點(diǎn),但在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn),該體系在動(dòng)力性能方面要求相當(dāng)嚴(yán)格,不論從設(shè)計(jì)還是到施工,都與傳統(tǒng)的非隔震結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。為了保證分析與計(jì)算結(jié)果的可靠性,分別采用4條途徑分析了不同類(lèi)型的四種結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng),發(fā)現(xiàn):(1)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,不但隨結(jié)構(gòu)體系的類(lèi)型不同而變化,而且與隔震器安裝位置的不同也有很大關(guān)系。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)不但要對(duì)其進(jìn)行專門(mén)的概念設(shè)計(jì),而且應(yīng)從多角度進(jìn)行動(dòng)力分析,合理、準(zhǔn)確地把握其動(dòng)力響應(yīng),才能保證做出安全、可靠的設(shè)計(jì)。(2)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的隔震層對(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,并要求隔震器安置有較高的水平,以確保地震時(shí)隔震層能發(fā)生水平位移并瞬時(shí)復(fù)位。(3)由于疊層橡膠墊隔震體系具有豎向承載力大、彈性復(fù)位功能強(qiáng)、隔震效果明顯等性能優(yōu)勢(shì),因此在設(shè)計(jì)中,對(duì)傳統(tǒng)樓房的高度限值和安全距離等限制條件均可適當(dāng)放寬。5對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的震級(jí)對(duì)比1992年2月2日日本東京灣地震,震級(jí)5.9,東京離震中23km,震度5度(相當(dāng)于我國(guó)烈度7度左右)。離震中58km外兩幢同樣結(jié)構(gòu)的三層鋼筋混凝土住宅,一幢基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)(夾層橡膠墊隔震),一幢非隔震結(jié)構(gòu)(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu))。地震記錄分析:隔震結(jié)構(gòu)的水平加速度反應(yīng)(即結(jié)構(gòu)總水平地震作用值)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/5~1/4;層間地震剪切作用值為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/16;豎向震動(dòng)加速度反應(yīng)僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的69%;傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振型為從下至上不斷增大的“放大型”,而隔震結(jié)構(gòu)的振型為“整體平動(dòng)型”。而對(duì)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(duì)比樓地震記錄的分析;美國(guó)北嶺地震中南加州大學(xué)醫(yī)院大樓地震記錄的分析以及經(jīng)受中國(guó)臺(tái)灣海峽地震考驗(yàn)的汕頭隔震樓的分析等都得出相一致的結(jié)論:隔震結(jié)構(gòu)可以明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),從而能非常有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)物及內(nèi)部設(shè)備在強(qiáng)地震沖擊下免遭破壞?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)旨在依靠限制而非抵抗地震作用來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)不受地震的破壞。隔震限制地震作用力,因?yàn)槿嵝曰A(chǔ)使結(jié)構(gòu)與水平地面運(yùn)動(dòng)在很大程度上解除了耦聯(lián)關(guān)系,結(jié)構(gòu)的反應(yīng)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(dòng)的能量,使傳遞到隔震結(jié)構(gòu)上的作用力進(jìn)一步減小。由于采用基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)地震作用減小,能夠確保安全而且抗震措施簡(jiǎn)單明了,對(duì)上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)的限制較小,震后只需簡(jiǎn)單修復(fù)甚至無(wú)需修復(fù)。6基礎(chǔ)隔震技術(shù)的研究對(duì)于基礎(chǔ)隔震體系來(lái)說(shuō)夾層橡膠墊應(yīng)用技術(shù)較成熟,基礎(chǔ)隔震理論與技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步,基礎(chǔ)隔震體系的減震效果比較明顯,具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段隔震技術(shù)的研究趨勢(shì):(1)隔震系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)向多樣化發(fā)展,即兩種或多種隔震方法組合運(yùn)用,力求揚(yáng)長(zhǎng)避短,這是以后防震研究的重點(diǎn);(2)隔震系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)和耐久性的研究;(3)研制各種造價(jià)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(yùn)用;(4)隔震技術(shù)在高層中的運(yùn)用;(5)強(qiáng)震作用下的地震反應(yīng)和控制規(guī)律的研究;(6)多維地震控制技術(shù)的研究,研究能控制一維、二維、三維及扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的技術(shù)。日本三維減震系統(tǒng)已研制成功,但我國(guó)還處在研究階段,基礎(chǔ)隔震技術(shù)還存在一些不足:(1)目前夾層橡膠隔震支座對(duì)一般的建筑物僅考慮水平隔震,對(duì)豎向地震幾乎沒(méi)有顯著的減震作用,對(duì)一些大跨度和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu),豎向地震作用影響會(huì)很大。(2)由于地震荷載作