王國(guó)祥 劉 彥 何 斌 柯 譜

(1.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008； 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

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談基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展及存在的問(wèn)題

王國(guó)祥1劉 彥2何 斌1柯 譜1

(1.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008； 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

介紹了基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展歷程，簡(jiǎn)述了隔震支座的類型與主要功能，從高層和超高層結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)周期地震動(dòng)、豎向隔震、隔震溝處理等方面，分析了隔震技術(shù)存在的問(wèn)題，為隔震技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)，隔震支座，隔震溝，地震作用

0 引言

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過(guò)在建筑物底部與基礎(chǔ)頂面設(shè)置隔震裝置，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，場(chǎng)地的特征周期一般在0.25 s～0.9 s之間，中低層抗震結(jié)構(gòu)的自振周期一般為0.2 s～1.2 s，合理布置隔震支座，可以使隔震結(jié)構(gòu)的自振周期延長(zhǎng)至2 s～5 s，從而避開(kāi)場(chǎng)地的卓越周期，而且有些隔震裝置還加入了阻尼材料，在地震中通過(guò)阻尼材料耗散一部分地震能量，減少輸入到建筑的地震能量，降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度。

1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展歷程

有文獻(xiàn)記載的最早提出隔震思想的是河何浩藏，他在1881年提出將并排圓木分層交錯(cuò)重疊成幾層，其上澆筑混凝土形成相當(dāng)厚的地基，然后再在該地基上建造房屋，從而減少地震能量向結(jié)構(gòu)的傳遞。而在此之前，在世界范圍內(nèi)已存在一些具有隔震思想的建筑，比如我國(guó)的故宮，日本的法隆寺五重塔以及日本的鐮倉(cāng)大佛等。

1924年鬼頭健三郎提出在基礎(chǔ)與柱腳之間設(shè)置凹面皿形盤，皿形盤中夾入滾軸軸承的隔震方案。1927年中村太郎論述了利用地震能量的吸收設(shè)備來(lái)降低輸入到結(jié)構(gòu)的地震能量的必要性，他對(duì)阻尼的認(rèn)識(shí)，正是之前的各種隔震方案所忽視的。1932年罔隆一申請(qǐng)了可擺動(dòng)式鉸接柱的專利，這種可擺動(dòng)式鉸接柱具有延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期的功能，并將該專利運(yùn)用于不動(dòng)銀行姬路支店和下関支店，這大概是世界首創(chuàng)的實(shí)用隔震建筑。1933年，在長(zhǎng)灘首次測(cè)定了強(qiáng)震記錄，1950年左右起，非線性振動(dòng)理論以及現(xiàn)代分析方法日趨成熟，在這樣的背景下，20世紀(jì)60年代后期至70年代，隔震研究走上了國(guó)際化、實(shí)用化的道路。

1966年英國(guó)的阿爾貝尼法院采用橡膠來(lái)防止地鐵振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。在1969年南斯拉夫?qū)W者在柏斯坦勞奇小學(xué)工程中首次使用了中間未加鋼板的隔震橡膠支座。1970年年初的法國(guó)、新西蘭、美國(guó)等國(guó)家，對(duì)疊層橡膠支座進(jìn)行了大量的性能試驗(yàn)，并在實(shí)際建筑物中使用，具有重要意義的是，20世紀(jì)80年代開(kāi)始，各種阻尼耗能材料開(kāi)始在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，比如William Clayton Building、郎格定克橋墩、新尼奧住宅樓、加利福利亞的市法院大樓等。

2 隔震支座的類型

2.1 普通疊層橡膠支座

普通疊層橡膠支座由橡膠層和鋼板兩部分組成，設(shè)置鋼板是為了提高隔震支座的豎向抗壓剛度，提高豎向承載力，而鋼板的存在不會(huì)降低橡膠本身的柔韌性[1]。疊層橡膠支座的阻尼性能不是很好，耗能性能較差，所以可采用附加各類阻尼器或者使用高阻尼性能的橡膠支座來(lái)增加其耗能能力。

2.2 鉛心橡膠支座

鉛心橡膠支座是在普通疊層橡膠支座中心孔插入鉛棒而形成的，鉛棒很好的提高了隔震支座的耗能能力。鉛棒的優(yōu)點(diǎn)在于一旦發(fā)生蠕變就可以產(chǎn)生較大的阻尼，鉛心橡膠支座不僅具有較小的水平剛度而且具有較好的耗能能力，鉛心橡膠支座是用的比較廣泛的一類支座。

2.3 高阻尼疊層橡膠支座

高阻尼疊層橡膠支座是通過(guò)在橡膠材料中加入一定量的石墨而構(gòu)成的，石墨的量決定了阻尼的大小。高阻尼橡膠支座與鉛心橡膠支座相似，不僅具有不錯(cuò)的耗能能力，滯回曲線比較飽滿，而且水平剛度也較小。該支座最明顯的優(yōu)點(diǎn)是即使在小變形時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的阻尼。

3 隔震技術(shù)具備的功能

隔震體系是在結(jié)構(gòu)底部和基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震消能裝置而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，隔震體系應(yīng)具備以下幾種功能：

1)水平剛度較小，能使結(jié)構(gòu)在隔震層上柔性移動(dòng)，使結(jié)構(gòu)體系的自振周期大大延長(zhǎng)，遠(yuǎn)離場(chǎng)地的卓越周期，從而能把地面運(yùn)動(dòng)隔離開(kāi)，有效地降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

2)具有足夠的水平向初始剛度，在風(fēng)荷載或輕微的地震作用下，隔震層具有足夠的彈性剛度，以滿足正常使用的要求，當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，隔震層開(kāi)始柔性移動(dòng)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入消能狀態(tài)。

3)提供較大的阻尼，具有很好的耗能能力，滯回曲線包圍的面積較大，隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的水平位移。

4)具有很高的抗壓剛度，使結(jié)構(gòu)在地震時(shí)和平時(shí)使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生豎向的變形。具有一定的抗拉剛度，隔震支座不應(yīng)在遇到豎向地震動(dòng)時(shí)發(fā)生損傷。

4 隔震技術(shù)存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，隔震技術(shù)已經(jīng)從理論研究逐步發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，并且經(jīng)過(guò)了某些強(qiáng)震的考驗(yàn)，隔震結(jié)構(gòu)具有其他結(jié)構(gòu)形式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是，這項(xiàng)技術(shù)仍然存在很多問(wèn)題需要完善，以下課題需要研究。

4.1 高層和超高層結(jié)構(gòu)中隔震技術(shù)的應(yīng)用

高層和超高層結(jié)構(gòu)本身具有較大的自振周期，采用隔震技術(shù)后，可進(jìn)一步延長(zhǎng)高層和超高層結(jié)構(gòu)的自振周期，從而進(jìn)一步避開(kāi)場(chǎng)地的卓越周期，但是，高層和超高層結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后，某些隔震支座的拉應(yīng)力很可能超過(guò)規(guī)范的容許限制，開(kāi)發(fā)出具有抗拉性能的隔震裝置將使隔震技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到高層和超高層結(jié)構(gòu)。

4.2 考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)

隔震結(jié)構(gòu)具有較大的自振周期，但是對(duì)于近斷層地震動(dòng)，具有較多的長(zhǎng)周期地震動(dòng)成分，而目前我們?cè)O(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，沒(méi)有考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響，日本311大地震后，某些隔震結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿郊铀俣容^大的長(zhǎng)周期地震動(dòng)而產(chǎn)生一定程度的損害。隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)成為必要[2]。

4.3 豎向隔震技術(shù)

隨著強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄的不斷增多，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)某些地震具有很大的豎向加速度分量，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了水平加速度地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，沒(méi)有涉及到豎向加速度[3]。隔震結(jié)構(gòu)具有比較低的水平剛度，但是豎向抗壓剛度與同尺寸的鋼筋混凝土柱的抗壓剛度相當(dāng)，在地震時(shí)，橡膠隔震支座并沒(méi)有起到隔離豎向地震動(dòng)的作用，開(kāi)發(fā)出具有豎向隔震功能的隔震裝置是將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

4.4 隔震溝的處理

隔震技術(shù)雖然應(yīng)用比較廣泛，但是隔震溝在某些地震后也暴露出了一些問(wèn)題，最典型的問(wèn)題是隔震溝約束了隔震結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)，導(dǎo)致減震效果降低[4]。比如廬山地震時(shí)廬山縣人民醫(yī)院，雖然此醫(yī)院在地震后主體保存完好，但隔震溝由于限制了主體結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)，導(dǎo)致震后隔震溝破壞，減震效果降低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了隔震技術(shù)的發(fā)展歷程和幾種常見(jiàn)的隔震支座以及隔震技術(shù)存在的一些問(wèn)題，隔震技術(shù)作為一種日趨成熟的技術(shù)，能夠很好的降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，采用設(shè)計(jì)合理的隔震體系，其直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益都是非?？捎^的?？梢灶A(yù)測(cè)，隔震技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)結(jié)構(gòu)工程師們廣泛使用的抗震設(shè)計(jì)方法。

[1] GSID—3，Guide specification for seismic isolation design[S].

[2] Hiroyuki Tamai,Yoshikazu K.Pseudo-elastic behavior of shape memory alloy wire and its application to seismic resistance member for building[J].Computational Materials Science,2002,25(7):218-227.

[3] 楊一振.基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[D].合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文，2011:35-84.

[4] 楊海旭，馬偉文，蔡永明.具有NES的復(fù)合摩擦擺隔震性能有限元分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(9)：1031-1036.

Discussion on base isolation technique developing and existing problems

Wang Guoxiang1Liu Yan2He Bin1Ke Pu1

(1.CollegeofCivilEngineering,KashgarUniversity,Kashgar844008,China; 2.ChinaCommunication2ndHighwaySurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Wuhan430000,China)

The paper introduces developing history of base isolation technique, briefly describes isolation bearing types and functions, analyzes problems existing base isolation technique from aspects of high-rise and super-high-rise building structure, long-term seismic vertical-isolation and isolating groove treatment, which has laid a foundation for studying isolating technique.

base isolation technique, isolation bearing, isolating groove, seismic action

1009-6825(2017)14-0035-02

2017-03-08

王國(guó)祥(1988- )，男

TU352

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