基础隔震技术的早期发展

基础隔震技术的早期发展

地震是一种严重的随机性自然灾害。在长期斗争的历史过程中，人们不断总结和丰富。传统的抗震设计考虑弹塑性设计方法,采用增加强度的方法来抵御地震,在地震作用下结构本身可以发生破坏,但是不至于倒塌,以达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设计理念。然而地震加速度是沿着结构的高度呈三角形状增大,在地震荷载的作用下,通过采用增加强度的方法,结构本身可以有效地防止破坏,但是在加速度的影响下,结构空间内部的设备可能遭到损坏。目前国内外普遍采用传统的抗震技术的基础上提出了新的设计理念———结构控制理论,基础隔震就是结构被动控制理论中一种。所谓的基础隔震,就是在建筑物的上部结构和基础顶面之间设置一层可靠的隔震层,使上部结构与基础分离,地震时基础可以有很大的运动,但隔震装置的变形阻隔地震波的向上部结构的传播,结构可以有相对较小的运动,结构的动力变形也大大减小,从而保护结构免遭地震的破坏。1结构工程阶段抗日战争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,他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。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。现在,我国已建造了40余幢各类基础隔震体系的建筑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。2结构的地震加速度反应基础隔震结构的物理模型单质点模型如图1所示。假定上部结构为刚体,由此计算水平地震作用下隔震层的反应。该模型可在估算时采用。式中:¨xg为地震波水平加速度;¨xs为上部结构相对于基础的加速度;m为质量上部结构与基础的连接部分是一个弹性元件与一个粘性元件的并联;k为弹性系数;c为粘滞系数。振动方程为:设输入的波为简谐波带入到上式得:式中:Ra为质点的地震加速度反应与地面地震加速度之比。令ψ=ω/ωn,可以作出Ra和ψ之间的关系图,如图2示。从图中可以看出,图中8条曲线有一个交点,对应的点是Ra=1,ω/ωn=1.4142。(1)当ω/ωn>1.4142时,Ra<1。阻尼比对结构的加速度反应影响比较小,同时ω/ωn越大,Ra越小。(2)当ω/ωn<1.4142时,Ra>1。阻尼比对结构的加速度反应影响比较大,结构的地震加速度反应被放大。一般的建筑结构处于这个范围内。(3)当ω/ωn趋近于1.0时,Ra≥1。结构与场地共振。地震反应可达到很大值,将导致结构的严重破坏或倒塌。(4)ξ越小,结构的地震加速度反应越大。从以上分析得出结论:为了避开结构与场地共振,可以用增大ω/ωn办法;对于未发生的地震频率ω是无法确定的,而只能通过减小ωn来提高ω/ωn的比值;为了减小地震的作用需增大该比值,又因为要减小ωn,只有减小刚度K或增大质量m,而一般结构质量不会有很多的变化,因此只能通过减小刚度K来减小ωn,也增大了ξ。要减小刚度K,增大c值,可以在建筑物的底部加一层水平刚度小、粘性大、竖向承载力高的叠层橡胶支座。示意图如图3所示。3基本振动源分类3.1自动复位的装置滚轴隔震装置是1966年日本人松下清夫提出的一项专利,该装置是在基础与上部结构之间设置上、下两层彼此垂直的滚轴,滚轴在椭圆形的弧沟槽内滚动,因而该装置具有自动复位的能力。墨西哥工程师弗洛利斯设计了一种滚球装置,已安装在墨西哥城的一幢五层钢筋混凝土框架结构的教学楼的柱脚处,隔震器由两层直径500mm的钢盘构成,中间装置100~400个直径为0.97cm的钢珠,油盘润滑,外套密封塑料防尘罩,允许位移可达12cm(图4)。苏联克里米亚的塞瓦斯托波尔也建成一幢以椭圆形钢球为支承的隔震试验楼,7层钢筋混凝土结构,自振周期为3s,比按传统作法的结构提高6倍,已经受了1977年的地震考验。3.2多组合成单元悬挂大跨墙板混凝土预冷剂,保证安全稳定工作1959年,苏联在阿什哈德建成了世界上第一幢采用基础悬吊隔震的3层砖混楼房。整个建筑物的基础,用钢杆悬吊在地下室框架的横梁上。该楼房经过1966年塔什干地震考验,居民甚至感觉不到震感,该楼房可在10度地震作用下保证安全。法国有一栋学生宿舍,每三层做为一个单元,悬挂在3个巨大的门式钢架上,这种做法可以降低动力反应2~3.5倍。西德慕尼黑BMW公司办公大楼共19层,高度96m,全部体系通过四根直径90cm的预应力钢筋混凝土吊杆,悬挂在钢筋混凝土内筒之上。我国唐山陡河电站两台400t/h锅炉,也是悬挂在多层钢筋混凝土框架上的。唐山地震后,框架结构本身震害很轻,仅需简单修复即可使用,而其他非悬吊设备的框架毁坏严重。3.3橡胶垫防振性能在结构物底部安装橡胶垫块的作法,最早是以防震为目的的。1964年,英国伦敦谵姆期公园建成了一幢用橡胶垫防振的公寓楼,以期减轻附近地铁造成的振动影响。所用橡胶块厚20~30cm,实测表明,在3~30Hz范围内,它使楼房的振动反应降到不设胶垫时的1/3~1/5。伯明翰彩色电视播音室的墙底,也安装了厚2.5cm的橡胶石棉垫块,以减轻附近火车站和公路车辆重量的影响。4试验结果与分析橡胶支座隔震是通过增加橡胶支座,使整个结构的自震周期延长,以减轻上部结构的地震反应。一般在建筑物的底部设置橡胶支座,利用橡胶的水平柔性形成一道柔性的隔层,并减少能量的向上传播,不仅可以保证了结构的整体安全,并可以有效的防止建筑物的内部装修、室内设备的损坏和由此引发的次生灾害。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,在诸多的抗震试验中,发现叠层橡胶垫基础隔震有以下的优势:(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,极限承载可以达到上万吨以上。(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。(3)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22.8m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43.8cm/s2,而楼顶的最大加速度仅为11.9cm/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。(4)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。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。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四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)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,以确保地震时隔震层能发生水平位移并瞬时复位。(3)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。5对传统结构的震级对比1992年2月2日日本东京湾地震,震级5.9,东京离震中23km,震度5度(相当于我国烈度7度左右)。离震中58km外两幢同样结构的三层钢筋混凝土住宅,一幢基础隔震结构(夹层橡胶垫隔震),一幢非隔震结构(传统结构)。地震记录分析:隔震结构的水平加速度反应(即结构总水平地震作用值)为传统结构的1/5~1/4;层间地震剪切作用值为传统结构的1/16;竖向震动加速度反应仅为传统结构的69%;传统结构的振型为从下至上不断增大的“放大型”,而隔震结构的振型为“整体平动型”。而对于日本板神大地震中,西部邮政大楼地震记录的分析和松村研究所两幢对比楼地震记录的分析;美国北岭地震中南加州大学医院大楼地震记录的分析以及经受中国台湾海峡地震考验的汕头隔震楼的分析等都得出相一致的结论:隔震结构可以明显有效地减轻结构的地震反应,从而能非常有效地保护结构物及内部设备在强地震冲击下免遭破坏。基础隔震结构旨在依靠限制而非抵抗地震作用来保护结构不受地震的破坏。隔震限制地震作用力,因为柔性基础使结构与水平地面运动在很大程度上解除了耦联关系,结构的反应加速度一般要比地面加速度小,阻尼装置消耗了输入地震动的能量,使传递到隔震结构上的作用力进一步减小。由于采用基础隔震结构上部结构地震作用减小,能够确保安全而且抗震措施简单明了,对上部结构的建筑设计的限制较小,震后只需简单修复甚至无需修复。6基础隔震技术的研究对于基础隔震体系来说夹层橡胶垫应用技术较成熟,基础隔震理论与技术取得了显著的进步,基础隔震体系的减震效果比较明显,具有广泛的应用前景。现阶段隔震技术的研究趋势:(1)隔震系统的研究开发向多样化发展,即两种或多种隔震方法组合运用,力求扬长避短,这是以后防震研究的重点;(2)隔震系统的维护保养和耐久性的研究;(3)研制各种造价低、稳定可靠、施工方便、低成本的隔震装置系统,并推广运用;(4)隔震技术在高层中的运用;(5)强震作用下的地震反应和控制规律的研究;(6)多维地震控制技术的研究,研究能控制一维、二维、三维及扭转震动的技术。日本三维减震系统已研制成功,但我国还处在研究阶段,基础隔震技术还存在一些不足:(1)目前夹层橡胶隔震支座对一般的建筑物仅考虑水平隔震,对竖向地震几乎没有显著的减震作用,对一些大跨度和长悬臂结构,竖向地震作用影响会很大。(2)由于地震荷载作