陳 文，熊 峰

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院土木工程系，四川成都610065)

1 隔震系統(tǒng)簡(jiǎn)述

2008年5月12日發(fā)生的汶川地震造成大量房屋破壞，其中多數(shù)為抗震性能較差的農(nóng)村低層民居砌體結(jié)構(gòu)，使生命財(cái)產(chǎn)遭受極大的損傷。由于地球進(jìn)入第四個(gè)地震活躍期，從2008年的中國(guó)汶川地震到2011年的日本9級(jí)地震，如此大規(guī)模、高震級(jí)的地震在極短的時(shí)間內(nèi)密集而快速的發(fā)生，使人們必須思考一種更有效的防震設(shè)計(jì)，將其應(yīng)用在我國(guó)廣大農(nóng)村的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋上，將抗震思路轉(zhuǎn)變?yōu)楦粽鹚悸?，從基礎(chǔ)上采取措施隔斷地震波傳播，減少地震波對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，以提高農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力和最大限度減輕地震造成的破壞，這是積極主動(dòng)的抗震對(duì)策，是抗震對(duì)策的重大突破和發(fā)展[1]。

基礎(chǔ)隔震是指在建筑物或構(gòu)筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，以延長(zhǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期、增大阻尼、減小上部結(jié)構(gòu)水平地震作用，達(dá)到預(yù)期的防震要求[2]。目前采用的基礎(chǔ)隔震主要用于隔離水平地震作用，隔震層的水平剛度顯著低于上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使高頻的地震能量無(wú)法傳到上部結(jié)構(gòu)[3]。在發(fā)生地震時(shí)，水平隔震層發(fā)生水平位移，上部結(jié)構(gòu)跟隨作近似平動(dòng)，使上部結(jié)構(gòu)的層間水平位移得以降低，從而讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中的損壞得以減少[4]?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，隔震技術(shù)必將得到更大的發(fā)展，在其今后的應(yīng)用研究中，以提高隔震效果、降低造價(jià)為目標(biāo)，為人類的防震減災(zāi)事業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)，讓更多的普通建筑擁有基礎(chǔ)隔震技術(shù)的保護(hù)，得以抵御自然災(zāi)害的侵襲，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

2 利用廢舊輪胎的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋隔震系統(tǒng)

常見的基礎(chǔ)隔震方法包括:彈性支承式隔震、滑動(dòng)式隔震、擺動(dòng)式隔震以及懸吊式隔震四大類。目前采用的彈性支承式隔震主要由疊層橡膠支座、螺旋彈簧支座等作為隔震器。上述的隔震系統(tǒng)一般具有高技術(shù)、高成本的特點(diǎn)，造價(jià)普遍較高，因此不宜廣泛應(yīng)用在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋上。

本文提出一種適合我國(guó)農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋的利用廢舊汽車輪胎制作的隔震系統(tǒng)，其隔震層構(gòu)造如圖1所示。

圖1 廢舊輪胎隔震系統(tǒng)的構(gòu)造

2.1 廢舊輪胎隔震系統(tǒng)的隔震原理

地震力對(duì)建筑物地震反應(yīng)有重要影響的兩個(gè)主要因素:結(jié)構(gòu)的基本周期和阻尼比。因?yàn)槠鲶w結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以第一振型為主，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)被視為一個(gè)剛體，所以水平剛度大，基本周期正好處在地震輸入能量最大的頻段上，因此加速度沿高度均勻分布，其反應(yīng)比地面運(yùn)動(dòng)放大了很多倍。

采用廢舊輪胎隔震技術(shù)，利用廢舊輪胎加工而成的隔震消能裝置安裝在結(jié)構(gòu)與地面之間形成柔性層，改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力作用，使結(jié)構(gòu)物的基本周期大大延長(zhǎng)，避開了地震輸入的卓越周期段，降低了結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的加速度反應(yīng)，達(dá)到“以柔克剛”的效果。同時(shí)廢舊輪胎隔震墊也是阻尼元件，增大整個(gè)結(jié)構(gòu)的阻尼，控制了上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的相對(duì)位移。也就是說(shuō)，采用廢舊輪胎隔震技術(shù)的砌體結(jié)構(gòu)房屋具有相對(duì)較長(zhǎng)的基本周期，能以集中發(fā)生在底層的較大的相對(duì)位移為代價(jià)，來(lái)減小上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，保證建筑物安全。并且隔震層能將大部分地震能量或反饋回地面，或通過(guò)大變形來(lái)吸收，減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，使上部結(jié)構(gòu)基本上保持在彈性工作范圍內(nèi)，從而在提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性的同時(shí)，使上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加靈活自由[6]。

2.2 廢舊輪胎隔震系統(tǒng)

廢舊輪胎隔震系統(tǒng)是指設(shè)置在砌體結(jié)構(gòu)地圈梁之下的由廢舊輪胎隔震墊作為隔震部件的一種新型的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。這種新型的隔震技術(shù)和常見的橡膠支座隔震技術(shù)相比，除了具有與橡膠支座隔震技術(shù)相似的明顯降低地震反應(yīng)、確保安全的特點(diǎn)外，還有低成本、制作簡(jiǎn)單、安裝方便和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

廢舊輪胎隔震墊(Scrap Tire Pad“STP”)是將廢舊輪胎的胎冠數(shù)層疊起構(gòu)成輪胎墊，并將其每隔一定的距離鋪在地圈梁之下所形成的柔性隔震層，見圖2。汽車輪胎是用硫化橡膠和鋼絲網(wǎng)以不同的方式結(jié)合而生產(chǎn)的，其結(jié)構(gòu)類似標(biāo)準(zhǔn)橡膠支座(RB)中的橡膠與薄鋼板(圖3)。將廢舊輪胎的胎側(cè)裁去并保留胎冠部分，一般小型汽車輪胎的寬度在185～245 mm之間，為統(tǒng)一尺寸保留中間的180 mm部分;然后用砂輪切割機(jī)將胎冠部分切割成180 mm長(zhǎng)的胎冠塊，將其重疊，形成廢舊輪胎隔震墊。廢舊輪胎隔震墊的制作成本低、工序簡(jiǎn)單，只需要切割廢胎，沒(méi)有橡膠硫化等復(fù)雜工藝，并且施工安裝方便，不需要特殊設(shè)備和技術(shù)。

圖2 廢舊輪胎隔震墊

圖3 RB和STP的構(gòu)造

對(duì)于我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)，與常見的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)相比，廢舊輪胎隔震系統(tǒng)的應(yīng)用有以下的優(yōu)勢(shì)。

(1)利用廢汽車輪胎材料，造價(jià)低廉，符合我國(guó)國(guó)情;

(2)制作簡(jiǎn)捷，只需要切割廢胎，沒(méi)有橡膠硫化等復(fù)雜工藝;

(3)施工安裝方便，不需特殊設(shè)備和技術(shù);

(4)自重輕，剛度易調(diào)整;

(5)環(huán)保，變廢為寶，適應(yīng)我國(guó)汽車迅速增加、廢胎增多的環(huán)境保護(hù)需要。

這一新型的隔震技術(shù)，直接用于低層砌體結(jié)構(gòu)的隔震，適應(yīng)我國(guó)國(guó)情、適應(yīng)廣大農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑以砌體結(jié)構(gòu)為主的實(shí)際需要和經(jīng)濟(jì)承受力，且變廢為寶，利于環(huán)保，有著重要的研究意義。

2.3 使用廢舊輪胎隔震系統(tǒng)的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)

在隔震建筑的設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過(guò)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的整體特性、結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)剛度的分布等合理設(shè)置，控制結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的反應(yīng)性能，達(dá)到減小地震反應(yīng)的目的。嚴(yán)格按要求設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)的隔震建筑一般均可達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)[2];控制隔震支座的布置及結(jié)構(gòu)的剛度，使其分布均勻并使結(jié)構(gòu)的剛度中心與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心的偏移小一些;砌體結(jié)構(gòu)選用的條形基礎(chǔ)剛性較好，能夠保證隔震層的穩(wěn)定性和在地震中運(yùn)動(dòng)的一致性，適合于建造隔震建筑。

使用廢舊輪胎隔震系統(tǒng)的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計(jì)與一般砌體房屋的基本設(shè)計(jì)流程是一樣的，分為基本設(shè)計(jì)和細(xì)部設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。

(1)確定隔震層的位置。在設(shè)計(jì)隔震建筑時(shí)，確定隔震層的位置是個(gè)非常重要的問(wèn)題。根據(jù)農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋的低層和無(wú)地下室的特點(diǎn)，使用基礎(chǔ)隔震，將隔震層設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間。

(2)基本設(shè)計(jì)?；驹O(shè)計(jì)是經(jīng)與建設(shè)業(yè)主協(xié)商而確定的耐震性能目標(biāo)、根據(jù)建筑物的用途以及將來(lái)目標(biāo)承受最大的地震力等而設(shè)定的基本指標(biāo)。根據(jù)建筑物的用途，有時(shí)也會(huì)依據(jù)建筑物震動(dòng)最大加速度的值為指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，然后再對(duì)隔震構(gòu)造的基本性能進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。將建筑物的重量和場(chǎng)地類型作為已知條件，根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)所得到隔震層的一些基本特性值(如:最大豎向承載力、水平剛度、剪切模量、最大水平剪切力和阻尼比等)，以及根據(jù)假定水平位移而設(shè)定的凈距值等，作為設(shè)定的設(shè)計(jì)相關(guān)指數(shù)。

隔震層的具體做法是:在建筑物的室內(nèi)地坪(即±0.00 m)處設(shè)置一層現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板及托梁，在托梁與基礎(chǔ)之間通過(guò)廢舊輪胎隔震墊連接，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)的散水及伸出室外的臺(tái)階也應(yīng)與地基土留有縫隙，以保證上部結(jié)構(gòu)與地基土脫離。因隔震層在地震時(shí)有可能在任何方向上產(chǎn)生比較大的水平位移，因此在隔震層的設(shè)計(jì)中，擋土護(hù)壁和廢舊輪胎隔震墊之間必須要預(yù)留一定的距離，一般水平凈距的設(shè)置為地震最大變形量的1.5～2.0倍，通常采用50～70 cm(見圖1)。

對(duì)廢舊輪胎隔震墊進(jìn)行了一系列的力學(xué)試驗(yàn)，得到了廢舊輪胎隔震墊的一系列的力學(xué)性能指標(biāo)。由于廢舊輪胎隔震墊只有在一定的豎向應(yīng)力作用下，才會(huì)表現(xiàn)出良好的隔震效果，從力學(xué)試驗(yàn)中可以得到，廢舊輪胎隔震墊能正常工作的豎向應(yīng)力值為5 MPa，而當(dāng)在砌體結(jié)構(gòu)的地圈梁下滿鋪隔震墊時(shí)，每一個(gè)隔震墊的豎向應(yīng)力值是很小的，不能滿足豎向應(yīng)力值的要求，所以廢舊輪胎隔震墊的數(shù)量和布置間距是由正常工作的豎向應(yīng)力值和上部砌體結(jié)構(gòu)的總荷載決定的，可以由這兩個(gè)決定因素并通過(guò)砌體結(jié)構(gòu)的荷載清理而得到適合于不同砌體結(jié)構(gòu)的布置間距。筆者利用這種方法計(jì)算出低層砌體結(jié)構(gòu)的廢舊輪胎隔震墊的布置間距:單層、二層、三層和四層砌體結(jié)構(gòu)的布置間距分別為6 m、2.7 m、1.5 m和1.2 m。

(3)細(xì)部設(shè)計(jì)。細(xì)部設(shè)計(jì)包括:廢舊輪胎隔震墊的設(shè)計(jì);地震荷載的設(shè)定以及地震應(yīng)力解析;規(guī)劃和配置STP以保證隔震層不發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和不受上部結(jié)構(gòu)偏心的影響。為了能確保有效衰減隔震層的扭轉(zhuǎn)彎矩和扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，最好在建筑物的外圍適當(dāng)增加STP的數(shù)量。用于地震應(yīng)力分析的輸入地震荷載，除了標(biāo)準(zhǔn)地震波以外，還應(yīng)根據(jù)地勘報(bào)告所記錄的地質(zhì)數(shù)據(jù)和地基特點(diǎn)而制定出合理的模擬地震波來(lái)進(jìn)行地震應(yīng)力分析。同時(shí)還應(yīng)該考慮與非隔震部分的結(jié)合部位設(shè)計(jì)，在設(shè)備配管和電氣布線等諸多細(xì)部做法上需要認(rèn)真規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

3 利用廢舊輪胎的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)隔震系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

在農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)上使用這一隔震系統(tǒng)后，在初期建設(shè)費(fèi)用方面，與普通的建筑相比，隔震建筑增加了隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)費(fèi)用、包括附加挖方量、室內(nèi)地坪處托梁和樓板的費(fèi)用，但因隔震效果的原因，上部結(jié)構(gòu)的建造成本也下降了。值得一提的是，因?yàn)閺U舊輪胎隔震墊是用廢舊的汽車輪胎經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的加工而成，所以其成本是很低的。一般情況下，二、三層的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)的初期建設(shè)費(fèi)用沒(méi)有明顯的增加。

在建筑物的使用期限費(fèi)用方面，包含維持管理費(fèi)用以及地震預(yù)測(cè)災(zāi)害損失等。地震預(yù)測(cè)災(zāi)害損失是指當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，不單純?yōu)榻ㄖ镒陨斫Y(jié)構(gòu)、裝修、設(shè)備、家具等的損害，也包括因維修等停止使用時(shí)所帶來(lái)的損失的量化，再根據(jù)地震概率而計(jì)算出來(lái)的。

一般來(lái)說(shuō)，隔震結(jié)構(gòu)在初期建設(shè)費(fèi)用上會(huì)比普通結(jié)構(gòu)要高一些，但是其地震預(yù)測(cè)災(zāi)害損失卻比較少，而建筑物的使用年限越長(zhǎng)，其差距會(huì)越來(lái)越大。因此，在我國(guó)廣大的農(nóng)村地區(qū)，這一隔震系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣對(duì)我國(guó)農(nóng)居房屋的防災(zāi)減災(zāi)有重大的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)，由于受經(jīng)濟(jì)條件的制約，特別是在農(nóng)村地區(qū)，砌體結(jié)構(gòu)形式在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)還將普遍應(yīng)用。砌體結(jié)構(gòu)是脆性結(jié)構(gòu)，剛度大、強(qiáng)度低、延性差，抗震能力差。采用這種利用廢舊輪胎的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋隔震系統(tǒng)，使建筑物的隔震周期有效地避開了建筑物的基本自震周期及場(chǎng)地的卓越周期，大大減少了上部結(jié)構(gòu)的地震作用，既可保障建筑物的安全耐久，又不過(guò)多增加造價(jià)，還將視為廢品的舊輪胎再利用，有利于環(huán)境保護(hù);在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的資本主義國(guó)家，采用隔震技術(shù)的目的主要是為了要提高建筑物和內(nèi)部設(shè)備的可靠度。因而無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從安全適用的角度，這一系統(tǒng)在農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋上的應(yīng)用應(yīng)該會(huì)受到各方的重視和歡迎，將會(huì)有著良好的發(fā)展前景。

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