陳詩(shī)白

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)近年來(lái)地震頻發(fā)，且震源淺、分布廣。僅汶川地震，就造成了大量鐵路生產(chǎn)生活房屋的倒塌或損壞。目前鐵路房屋抗震設(shè)防烈度主要是依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》。汶川、玉樹(shù)等歷次大地震之后，迫切需要針對(duì)地震區(qū)劃圖的完善性，深入探討鐵路房屋抗震防倒塌的技術(shù)對(duì)策。

迄今為止，我國(guó)已經(jīng)編制發(fā)布了四代地震區(qū)劃圖。幾代區(qū)劃圖的編制反映了我國(guó)地震科學(xué)發(fā)展的不同階段。編圖方法從簡(jiǎn)單的“地震重復(fù)”、“百年尺度地震預(yù)測(cè)”發(fā)展到地震危險(xiǎn)性概率分析方法［1-2］;編圖參數(shù)由地震烈度發(fā)展到地震動(dòng)參數(shù)。汶川、玉樹(shù)地震倒塌的大批房屋中，許多是由于未按地震區(qū)劃設(shè)防而倒塌，例如大量的未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)的村鎮(zhèn)民居。

而有些“抗震”房屋雖然已按地震區(qū)劃設(shè)防但仍未免于倒塌。這說(shuō)明，現(xiàn)行地震區(qū)劃圖對(duì)許多地區(qū)的罕遇地震參數(shù)估計(jì)過(guò)低［2］，尚不能保證房屋抗倒塌目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@些房屋遭遇的實(shí)際地震烈度，高于地震區(qū)劃設(shè)防烈度不止一度;而根據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，“抗震”房屋“大震不倒”的保障前提僅限于遭遇到比設(shè)防烈度高一度的地震作用。

我國(guó)鐵路建設(shè)正處在一個(gè)高速發(fā)展的歷史時(shí)期。普遍提高鐵路重要生產(chǎn)生活房屋的抗震能力，是保障公眾生命安全、減輕地震對(duì)鐵路運(yùn)輸破壞程度的前提。對(duì)于地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的生命線相關(guān)鐵路房屋，例如行車(chē)調(diào)度、運(yùn)轉(zhuǎn)、通信、信號(hào)、供電、供水建筑，以及6 000人以上的旅客站房等，按現(xiàn)行規(guī)范［3］規(guī)定，即按高于區(qū)劃設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施，確實(shí)能提高抗震能力，但其提高效果是很有限的。因此建議，對(duì)于建在硬土場(chǎng)地的此類鐵路重要房屋，宜積極采用國(guó)內(nèi)外較為成熟的基礎(chǔ)隔震先進(jìn)技術(shù)。國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)表明［4-5］，基礎(chǔ)隔震房屋的抗震能力高于同條件下的傳統(tǒng)“抗震”房屋。

2 鐵路房屋采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的進(jìn)一步探討

2.1 “抗震”房屋與“基礎(chǔ)隔震”房屋

“抗震”房屋是用房屋結(jié)構(gòu)自身的承載力和塑性變形能力直接抗震，立足于“抗”。其缺點(diǎn)是:當(dāng)房屋遭遇高于設(shè)防烈度一度的“大震”時(shí)，即使能夠“大震不倒”，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件在利用自身承載力和塑性變形能力耗散地震能量的同時(shí)，構(gòu)件本身也遭到損壞，使房屋喪失了使用功能，且房屋內(nèi)部設(shè)備或物品難免被震壞。而且，即使通過(guò)“超規(guī)范”設(shè)計(jì)，能提高房屋的抗震能力，但由于房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面加大，質(zhì)量放大，不僅造價(jià)上升，所受到的地震作用也必然增大，形成了不良循環(huán)。

區(qū)別于“抗震”房屋，“基礎(chǔ)隔震”房屋立足于“隔”［6-7］:當(dāng)?shù)卣饋?lái)襲，基礎(chǔ)隔震層能阻隔地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，因而能保護(hù)房屋上部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備免遭大的損壞。

2.2 國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)隔震房屋的應(yīng)用情況

我國(guó)古建筑營(yíng)造技術(shù)已體現(xiàn)出房屋基礎(chǔ)隔震理念的樸素雛形，譬如北京故宮上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的糯米石灰墊層等。

現(xiàn)代的建筑基礎(chǔ)隔震理念是19世紀(jì)末由日本提出并且在日本、美國(guó)等國(guó)家獲得快速發(fā)展，較為成熟的是采用橡膠隔震支座。應(yīng)用范圍從橋梁到住宅，包括政府大樓、醫(yī)院、學(xué)校、體育場(chǎng)館、博物館等。在1994年美國(guó)洛杉磯6.8級(jí)地震和1995年日本阪神7.2級(jí)大地震中，與常規(guī)“抗震”房屋相比，隔震房屋顯示了令人驚嘆的優(yōu)越性。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，基礎(chǔ)隔震技術(shù)在我國(guó)開(kāi)始得到關(guān)注并采用。1994年臺(tái)灣海峽發(fā)生7.3級(jí)地震并波及汕頭地區(qū)時(shí)，汕頭市區(qū)同地段的傳統(tǒng)“抗震”房屋發(fā)生了較為劇烈的晃動(dòng)，而“隔震”房屋的住戶們卻沒(méi)有震感。目前我國(guó)已建造了超過(guò)200萬(wàn)㎡的隔震房屋［8］，其中絕大多數(shù)采用的是疊層橡膠隔震裝置。

目前，房屋隔震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)日趨完善。美國(guó)、日本、新西蘭等國(guó)家相繼頒布了建筑隔震設(shè)計(jì)規(guī)程。我國(guó)也在2001年頒布了《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》(GECS126:2001)。

在國(guó)內(nèi)鐵路房屋建設(shè)中，基礎(chǔ)隔震技術(shù)已在“橋建合一”鐵路客站等極少量工程中被采用;而眾多的設(shè)計(jì)使用年限為50年的鐵路重要生產(chǎn)生活房屋，仍以“抗震”方式為主。

2.3 新建鐵路房屋

為滿足鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)工藝布局等多因素綜合需求，混凝土框架、剪力墻和多層砌體結(jié)構(gòu)類型在鐵路房屋中所占比例很大。而此類房屋結(jié)構(gòu)類型正是國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用較早、較成熟的房屋結(jié)構(gòu)類型［4，9］。

按照《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》［10］，到2020年，全國(guó)鐵路網(wǎng)營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到12×104km以上，這必將引發(fā)各類鐵路重要生產(chǎn)生活房屋的建設(shè)高峰。而這些新建房屋無(wú)論其建筑規(guī)模的大小，都將和房屋內(nèi)部的工藝設(shè)備結(jié)合為一體，成為鐵路運(yùn)輸?shù)纳窠?jīng)樞紐，牽一點(diǎn)而動(dòng)全局。因此，房屋和設(shè)備均不喪失使用功能才是地震后鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)快速恢復(fù)的關(guān)鍵。

若按基礎(chǔ)隔震理念設(shè)計(jì)這些新建鐵路房屋，不僅將使房屋本身少受震害，同時(shí)將能很好地防護(hù)房屋內(nèi)部工藝復(fù)雜的設(shè)備。同條件下，新建鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種方式宏觀性能預(yù)測(cè)對(duì)比見(jiàn)表1。

2.4 既有鐵路房屋

在既有線改擴(kuò)建中，對(duì)于需要抗震加固利舊的房屋，用傳統(tǒng)的“抗震”加固方式(即加固后靠房屋結(jié)構(gòu)自身承載、變形能力來(lái)抵抗地震作用)較難達(dá)到強(qiáng)度和延性的合理匹配。若采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)對(duì)房屋進(jìn)行加固利舊，不僅加固后抗震能力高于“抗震”房屋，對(duì)于鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的暢行更具獨(dú)特益處。同條件下，“抗震”與“隔震”兩種加固方式的宏觀性能預(yù)測(cè)對(duì)比見(jiàn)表2。

2.5 基礎(chǔ)隔震支座的耐久性

按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，大部分鐵路重要生產(chǎn)生活房屋設(shè)計(jì)使用年限為50年。實(shí)踐表明，隔震支座的工作壽命可超過(guò)50年［11］。如澳大利亞墨爾本某鐵路橋使用橡膠支座，于1889年建成，已使用100多年，老化深度僅為5 mm。目前的橡膠隔震支座產(chǎn)品，大都采用了外圍保護(hù)層以及抗老化劑、阻燃劑等措施，壽命可達(dá)到或超過(guò)房屋設(shè)計(jì)使用年限。即使隔震層部件在房屋設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)需要改裝、更換，其施工也是不難操作的。

2.6 基礎(chǔ)隔震房屋的宏觀造價(jià)

從表1和表2還可以看出，和“抗震”房屋相比，由于地震動(dòng)本身主要由隔震層承擔(dān)而不完全需要上部房屋結(jié)構(gòu)本身“硬抗”，因而房屋上部結(jié)構(gòu)的土建造價(jià)會(huì)降低很多，可用于抵消隔震層造價(jià)。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為，隔震技術(shù)是在增加不多的投資情況下來(lái)提高建筑物的抗震目標(biāo)。近年來(lái)一些隔震房屋工程實(shí)例的宏觀評(píng)估認(rèn)為，同等造價(jià)條件下或造價(jià)略有增、減的條件下，“隔震”房屋的抗震設(shè)防目標(biāo)高于傳統(tǒng)“抗震”房屋的目標(biāo)。

表1 新建鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種方式宏觀性能預(yù)測(cè)對(duì)比

表2 既有鐵路房屋“抗震”與“隔震”兩種加固方式宏觀性能預(yù)測(cè)對(duì)比

如果再考慮與“抗震”房屋相比，基礎(chǔ)隔震房屋在地震時(shí)減輕了房屋結(jié)構(gòu)的破壞、減輕了內(nèi)部設(shè)備的損失、減輕了人員傷亡、減輕了鐵路運(yùn)營(yíng)停工停產(chǎn)損失和震后修復(fù)費(fèi)用等，可見(jiàn)隔震房屋全壽命造價(jià)明顯降低。

3 結(jié)語(yǔ)

基礎(chǔ)隔震技術(shù)在鐵路房屋中的推廣應(yīng)用，尚需主管部門(mén)政策引導(dǎo)和業(yè)主積極支持。這將普遍提升鐵路房屋抗震防倒塌能力，促進(jìn)鐵路科技創(chuàng)新，更將使鐵路房屋建設(shè)具有傳統(tǒng)“抗震”房屋無(wú)法比擬的全壽命優(yōu)勢(shì)。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB18306—2001，中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［2］高孟潭，盧壽德.關(guān)于下一代地震區(qū)劃圖編制原則與關(guān)鍵技術(shù)的初步探討［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2006，1(1):1-6.

［3］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［4］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］朱玉華，呂西林，馮德民，等.基礎(chǔ)隔震房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2000，20(3):123-130.

［6］解詠平，宋雪琳，張松.基于簡(jiǎn)化微分方程的 FPS隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析［J］.鐵道建筑，2008(8):114-116.

［7］日本免震構(gòu)造協(xié)會(huì).建筑設(shè)計(jì)與細(xì)部［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［8］黃世敏，楊沈.建筑震害與設(shè)計(jì)對(duì)策［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［9］高小旺，龔思禮，蘇經(jīng)宇，等.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［10］中華人民共和國(guó)鐵道部.發(fā)改基礎(chǔ)［2008］2901號(hào) 中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)［DB/OL］.http://www.china-mor.gov.cn/tllwjs/tlwgh.html.

［11］中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS126:2001疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程條文說(shuō)明［S］.北京:中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2001.