建筑物基础隔震

1 基础隔震技术的发展与现状

1.1 基础隔震技术的早期阶段

基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于1881年提出的，认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土基础上盖房，以削弱地震传递的能量.

1909年，美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母，这样地震时建筑物会发生滑动，以达到隔离地震的目的.

1921年，美国工程师F.L.莱特在设计日本东京帝国饭店时，有意用密集的短桩穿过表层硬土，直接插到软泥土层底部，利用软泥土层作为隔震层.1923年关东大地震发生，附近同类建筑毁坏严重，但这个建筑却保持完好.

1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案.1927年，日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置，在隔震理论方面进行了有益的探索.

在这一阶段，虽然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理论基础，但限于当时的水平与条件，基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发.

1.2 基础隔震技术的现代阶段

随着地震工程理论的逐步建立以及实际地震对结构工程的进一步考验，特别是近二三十年来，由于采用大量的强震记录仪对地震进行观测，使人们较快地积累了有关隔震及非隔震结构工作性能的定量化经验，从而对早期提出的一些隔震方法进行了淘汰与升华.其中叠层橡胶垫基础隔震体系被认为是隔震技术迈向实用化最卓有成效的体系.

1984年新西兰建造了世界上第一幢以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物.1985年美国建成第一座4层的叠层橡胶垫隔震大楼加州·圣丁司法事务中心.1986年日本又建成一幢5层高技术中心楼，采用铅芯橡胶垫.目前，世界上大约有30多个国家在开展这方面的研究，这项技术已被应用在桥梁、建筑，甚至是核设施上.截止目前，世界上大约已建成了3100多幢基础隔震建筑，其中80%以上采用的是叠层橡胶垫隔震系统[1].

80年代以来，基础隔震研究开始在我国得到重视，国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了研究，取得了较大的进展.现在，我国已建造了2000余幢各类基础隔震体系的建筑物，有叠层橡胶垫隔震体系、砂垫层滑移摩擦体系、石墨砂浆滑移体系、悬挂隔震结构体系等，其中绝大多数采用的是粘结型叠层橡胶垫隔震体系.现代隔震技术经历了30年的历程，得到了广泛的应用，目前隔震技术的应用程度在日本等国家，已经成为建筑的主导;我国将在2008年(在应用面积上)首次超过日本。

2 叠层橡胶垫体系的隔震原理

对建筑物地震反应有重要影响的主要因素有两个:一个是结构的周期，一个是阻尼比.普通非隔震中低层建筑物的刚度大、周期短，其基本周期正好在地震输入能量最大的频段上.因此相应的加速度反应比地面运动放大得多，而位移反应却较小，如图中A点所示.如果延长建筑物的周期，而保持阻尼不变，则加速度反应被大大降低，但位移反应却有所增加，如图中B点所示.如果继续加大结构的阻尼，加速度反应则继续减弱，且位移反应也得到明显降低，如图中C点.这就是说，通过延长结构的周期并给予较大的阻尼，就可使结构上的加速度反应大大降低.同时，对结构产生的较大位移可由上部结构底部和基础顶部之间设置的隔震层来提供，而不由上部结构自身的相对位移来承担.这样，上部结构在地震过程中就会发生接近平移的运动，大大提高了上部结构的安全度.

叠层橡胶垫基础隔震体系的隔震层是由若干个隔震器所组成.隔震器包括叠层橡胶垫和阻尼器，分普通叠层橡胶垫、铅芯橡胶垫和高阻尼橡胶垫.这种隔震体系的周期长、阻尼比大，隔震效果明显.尤其采用后两种隔震器，不需再另外附加阻尼器，便于施工.

3 叠层橡胶垫基础隔震体系的性能评价

在诸多基础隔震体系中，通过大量的实验和研究，根据国际上对隔震体系的评价标准，叠层橡胶垫隔震体系有下面一些性能优势:

1) 该体系的竖向承载力大.一般单个的隔震器竖向承载力设计值可达数千吨，极限承载力可达上万吨.

2) 该体系的隔震层具有稳定的弹性复位功能，能在多次地震中自动瞬时复位.这是摩擦滑移隔震体系所完全不能相比的.

3) 隔震器的耐久性好，抗低周疲劳性能、抗热空气老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均较好.通过对产品试件的各类性能测试，其使用寿命在60~80年[2].最近日本曾将一幢使用了10年之久的叠层橡胶垫基础隔震楼中的隔震器更换下来进行各类性能测试，结果发现，其各类指标与10年前相比，几乎没有什么变化.

4) 隔震效果明显，其加速度反应大大低于非隔震结构，且理论分析结果与实验结果比较吻合.如日本东京一幢22.8 m高的钢筋混凝土基础隔震楼，在1987年12月17日千叶近海发生的6.7级地震中，实测地面加速度为43.8 cm/s2，而楼顶的最大加速度仅为11.9 cm/s2.在叠层橡胶垫基础隔震体系课题的研究过程中，通过对4种不同类型结构隔震体系的分析与计算，可看出抗震设防烈度为8度的地区，若采用叠层橡胶垫基础隔震体系，上部结构的设防烈度可降低1~2度，且有较大的安全储量.

5) 与其它隔震体系相比，隔震器受地基不均匀沉降的影响并不十分明显，且构造简单、安装方便，传力方式简单明确.

尽管叠层橡胶垫隔震结构有诸多明显的优点，但在研究过程中发现，该体系在动力性能方面要求相当严格，不论从设计还是到施工，都与传统的非隔震结构有很大的区别.为了保证分析与计算结果的可靠性，分别采用4条途径分析了不同类型的4种结构体系的动力响应，发现:

1) 叠层橡胶垫基础隔震结构的动力特性，不但随结构体系的类型不同而变化，而且与隔震器安装位置的不同也有很大关系.因此，在设计时不但要对其进行专门的概念设计，而且应从多角度进行动力分析，合理、准确地把握其动力响应，才能保证做出安全、可靠的设计.

2) 在隔震结构中，为了真正实现上部结构与地面的"隔离"，还需注意一些关键部位的构造处理.如底层楼梯与主体结构的隔离处理，上下水、煤气、供暖及配电管道穿越隔震层时的柔性化问题等，有一方面疏忽都会在地震中带来巨大的灾难.

3) 除此之外，叠层橡胶垫基础隔震体系的隔震层对施工的要求是比较严格的.隔震层的位移不能受任何原因的干扰和约束，施工时不能损伤隔震器及其附件，并要求隔震器安置有较高的水平度，以确保地震时隔震层能发生水平位移并瞬时复位.

4 结论

1) 由于叠层橡胶垫隔震体系具有竖向承载力大、弹性复位功能强、隔震效果明显等性能优势，因此在设计中，对传统楼房的高度限值和安全距离等限制条件均可适当放宽.

2) 研究结果表明，叠层橡胶垫基础隔震体系上部结构的设防烈度可降低1~2度，且仍有较大的安全储量.

3) 虽然隔震体系要增加一层隔震层，似乎造价有所增高.但随上部结构设防烈度的降低而节约的造价，可用于建造隔震层.因此，对整个隔震建筑的工程造价来说，和同类非隔震建筑相比，造价会在-5~+5之间浮动.如果把建筑物全寿命及地震时建筑结构的破坏、内部财产的损失、人员伤亡以及建筑物损坏造成的停工停产所带来的损失加起来，该基础隔震体系的经济效益和社会效益十分巨大，是一种极具推广和应用的新技术.

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