隔震设计：以柔克刚化解地震能量
时间：2014-08-11 10:39:03
来源：明源云采购综合整理
历次地震中，各种各样的“楼坚强”“房坚强”层出不穷，近期，数四川庐山“楼坚强”最引发关注。据悉，该大楼之所以能在地震中保持原貌的要诀在于，其地基部分的橡胶隔震支座起到了较大的隔震作用。
历次地震中，各种各样的“楼坚强”“房坚强”层出不穷，近期，数四川庐山“楼坚强”最引发关注。在四川省芦山“4·20”7.0级强烈地震中，约50万间住房受损，芦山县人民医院综合大楼却安然无恙，成为“楼坚强”的代言人。据悉，该大楼保持原貌的要诀在于，其地基部分的橡胶隔震支座起到了较大的隔震作用。
所谓橡胶隔震技术，就是在建筑与地基之间，设置一层橡胶隔震支座，以隔离地震自下而上产生的能量，从而确保建筑结构安全。一旦发生地震，隔震结构会变形，阻止地震波产生的能量从下向上传播，使上部结构基本不变形，从而保护地面建筑结构基本不被破坏。
北京清华同衡规划设计研究院结构工程师徐珂解释说，就像打太极一样，隔震装置将消耗地震产生的能量，以柔克刚，大大降低建筑物承受的破坏力。
资料表明，合理的隔震设计一般可使结构的水平地震加速度反应降低50% -60%，可降低地震烈度0.5度 2度，有效地减轻建筑物受到的破坏。
“其实，在我国，基础隔震技术最早可追溯到唐代。”徐珂说。位于西安的小雁塔始建于唐代，已建成1000余年，历经两次大地震而未倒塌。研究表明，小雁塔的基础与地基连接处采用的是圆弧形球面，塔身和基础坐落于圆弧球面上，形成了一个类似“不倒翁”的结构。
北京紫禁城是木结构建筑群，主要建筑都建在大理石高坛上，下面有一层柔软的糯米层，可以使建筑物免遭震灾。
“现代隔震技术比较实用，叠合橡胶起了很大作用。”徐珂说。
目前，运用最多的隔震结构是叠层橡胶隔震支座，约占90%以上。1969年，灾后重建的南斯拉夫斯考比市在柏斯坦劳奇小学首次使用隔震橡胶支撑垫，但该支撑垫由橡胶层组成，中间未加钢板。“这个是第一个现代意义上的隔震结构”。徐珂说。
1993年，在广州大学教授周福霖的主持下，汕头市建成了我国第一座夹层橡胶垫隔震大楼。5年后，他又主持建设了北京通惠家园，在距地面高11.6米的地铁车辆段大平台上建起了隔震建筑群，这是目前世界上隔震面积最大的建筑群。2012年竣工的昆明新机场航站楼，是全球最大的单体隔震建筑，面积达50多万平方米，采用了国际上先进的混合隔震技术，地震设防烈度超过9度。
“中国的隔震设计主要是向日本和美国学习，可以说紧跟世界潮流。”徐珂说。
“楼坚强”成功一半
北京市建筑设计研究院副总工程师苗启松认为，芦山“楼坚强”会推动未来隔震技术的应用，但是，芦山县人民医院主楼只能说成功了一半。
苗启松指出，大楼周边隔震沟设置不符合要求，影响了主体结构的滑动，影响了隔震效果。同时，未设置隔震垫检修通道，只留了参观孔，地震后无法检修全部隔震垫。
“隔震垫是橡胶制品，失效后如果不及时更换，地震时就一无所用。日本已经形成了很好的检查检验体制。”徐珂说，“芦山县人民医院大楼留出的沟不够宽，检修成本很高。如果隔震垫失效，更换将是个难题。”
资料表明，隔震支座的寿命可能超过50年，而我国一般建筑的设计基准期为50年。世界上目前已经有使用期超过50年的隔震支架仍可使用的记录，如澳大利亚墨尔本某铁路1889年建成，其橡胶隔震支座仍可继续使用，力学性能变化不大。
据了解，隔震建筑物不仅需要使用隔震垫，还需要采取一系列配套措施。比如，发生地震时，建筑物变形主要集中在隔震层，因此，隔震层的电梯、水管的连接管都要采用软管。
观念不改 隔震技术推广难
中国建筑研究院结构工程师李志伟介绍，2001版《建筑抗震设计规范》首次纳入隔震技术，2010版《建筑抗震设计规范》扩大了隔震技术的适用范围，对隔震设计的结构类型不作限制。
徐珂介绍，我国目前采用隔震、减震技术的建筑有1000多栋，日本已建成隔震建筑超过6000栋，就国内而言，这个数量是非常少的。目前，我国已能自行生产隔震器。据橡胶隔震基座生产厂家称，500毫米的单个隔震器报价大约5000元-10000元，600毫米的单个隔震器报价8000元-12000元。
李志伟说，隔震建筑增加了隔震的费用，但是由于上部结构地震作用被隔震层削弱，构件截面及配筋可以相应减小，甚至结构也可进行调整，建筑造价也可能有所降低。以建于1997年的杭州首幢试验隔震楼为例，该楼底层为商场采用钢筋混凝土柱承重，二至七层为住宅。建筑总层数7层，实际增加收益100多万元。
据报道，在地铁上建造的北京通惠家园，由于隔震设计增加建筑面积10万平方米，净增产值约达4亿元。徐珂说：“受隔震建筑推广观念制约的影响，现在的人买房子、盖房子，只关心价钱，不关心抗震性能。”
同时，徐珂建议，应尽快给农村做一些宣传，包括做一些简单的标准普及，让农民的观念有所改变。福斯特及合伙人有限公司工程师段小廿说，采用隔震技术能显著降低对上部建筑结构的施工要求，使得建筑结构本身按常规方法设计施工，尤其适用于农村地区的自建房屋，农民可以使用厂商生产的隔震器，上部建筑结构按照常规方法施工即可。
周福霖多次强调了隔震技术的应用，称其是效果最好的抗震办法。周福霖说目前国内建筑主要采用的三种抗震办法，一种是传统抗震，即加粗柱子、加多钢筋，“跟地震硬碰硬”；一种是隔震，就是在房屋下加一层柔软垫，将房屋与地基隔离，属“软抗震”；第三种是减震，就是增加阻力。其中隔震的效果最好。“能将建筑物的抗震能力提高4到8倍。”周福霖说：“到目前为止，世界上还没有一栋房屋采用隔震技术后被震倒。”
隔震减震技术是我国未来工程技术的发展方向之一。周福霖说，目前主要的瓶颈不在技术上，而在人的思维理念上。很多施工单位无法理解“让房屋动起来抗震”的观念，“大家的传统思维还是习惯于硬抗，把房屋做得又粗又大，这样来硬抗地震。”
周福霖认为，隔震减震技术的未来，需要从理论、研究、设计、产品到施工整个链条的提高。“未来最好能有独立的整套的技术规范，国内有比较成熟的设计程序，生产厂家也要千方百计地提高生产质量。”他对隔震技术的未来很有信心，“这是一种新的方法，它会越来越普遍，将来有一天它会成为一个被推广的技术。”
承建庐山“楼坚强”的四川华远建设工程有限公司技术总监梁振宇表示，他们在地基和地面建筑之间设计采用了83个直径为500mm和600mm的橡胶隔震支座。
梁振宇说，减震支座是目前实际运用最多的一种隔震技术，使用量占隔震建筑的90%以上。但目前我国建造的隔震大楼数量还很少，缺乏有经验的人才。在地震多发地区，推广隔震楼可以提高建筑抗震能力，减少地震带来的损失，很有必要。
国内外大量的试验和工程实践证明，隔震体系一般可使结构水平地震加速度反应下降60%左右。同时，它耐久性能好，一般使用寿命可在70年以上，远远超过一般民用建筑物50年使用寿命的要求。
延伸阅读：建筑物智能减震柔性抗震新技术
建筑物智能减震柔性抗震新技术、新工艺和新装置工作原理，就是在一般的建筑物结构体与其基础之间的水平面位置，加装滑动钢板剪切阻尼装置，同时在建筑物顶端安装橡胶钢复合弹簧平衡装置。
地震发生时，使建筑物体本身迅速打开滑动钢板剪切阻尼装置，使建筑物体与其基础之间迅速滑动，并且快速递增阻尼缓冲力量（橡胶钢复合弹簧受到的牵引力与反作用力），通过对地基运动加速度所产生的冲击能量以及建筑物体本身的惯性能量的吸收和能量消耗，主动抗震；同时通过建筑物顶端橡胶钢复合簧平衡装置的牵引力与反作用力来阻尼、缓冲、中和建筑物体倾斜晃动的力度，增强建筑物（建筑物顶端平衡装置产生的侧向作用力、作用力的大小自动控制、智能配置）重心控制的平衡能力，缩小建筑物体摇摆晃动的有效范围，避免建筑物体与其地基基础发生共振现象，减小地震对建筑物的破坏烈度，达到建筑物震而不倒的目的。柔性抗震新技术解决了建筑物防震避震之难题。
随着建筑物智能防震装置新技术、新工艺和新装备的应用与发展，使建筑物自身大大增强了抗震性能，达到大震变小、小震变了的目的。而新型抗震技术的研发，还可以减少不必要的建材（如钢筋、混凝土等）浪费。
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