消能减震理论及工程应用

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摘　要:传统的抗震方法是房屋上部结构和基础牢牢地连接在一起,地震时,地面运动能量经过基础输入到房屋结构,致使房屋结构发生振动、变形,甚至倒塌。“消能隔震”的基本思想是使基础和上部房屋结构分离,隔离地震能量向建筑物的输入。实现地震时地动而建筑物基本不动,达到保证建筑物安全的目的。关键词:地震;隔震消能;橡胶支座;感应气垫;弹簧轻轨

    1地震的产生及我国国情   由于地球在不断运动和变化,逐渐积累了巨大的能量,在地壳某些脆弱地带,造成岩层突然发生破裂,或者引发原有断层的错动,这就是地震。地震分为构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震,绝大部分地震都发生在地壳中。   我国地理位置位于世界两大地震带———环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分活跃。20世纪以来,我国共发生6级以上地震近800次,遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市。地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广,是一个震灾严重的国家。1900年有记录以来,我国死于地震的人数达55万之多,占全球地震死亡人数的53%;地震成灾面积达30多万平方公里,房屋倒塌达700万间。地震及其他自然灾害构成我国的基本国情之一。   2地震对建筑物的破坏情况及原因   地震造成的破坏留给人类是深刻的。国内外大量的地震灾害说明,地震虽不可抗拒,但可以通过消能减震技术来减轻对建筑物的破坏。下面就几起大的地震来说明建筑物所遭受破坏的情况,迫切说明建筑物需要消能减震技术的应用。   2.1唐山地震   1976年7月28日,唐山发生了里氏7.8级的强烈地震,这次地震的一个重要特点就是位于震中区的建筑物普遍倒塌。震前唐山市的基本烈度定为6度,各类多层钢筋混凝土框架结构大多未按抗震要求设防。在9、10度区,框架遭受中等或严重破坏甚至倒塌,主要震害是节点或柱端混凝土严重压碎,钢筋严重压曲,节点破坏后柱端水平断裂、错位,主体承重结构破坏,尤其是承受重力的竖向构件(柱)的破坏,造成整个框架结构的倒塌。很少有倒塌瓦砾离原结构位置较远的情况。说明水平地震运动的往复作用破坏了结构,使之成为局部或整体可动机构,而最后倒塌则主要是结构丧失了承受竖向载荷的能力所致。   2.2云南澜沧地震   1988年11月6日在云南澜沧县发生了7.6级的强烈地震,地震区内的多层钢筋混凝土框架结构多为近年来的新建筑,设计中虽然考虑了抗震因素,但由于设计不完善且施工质量较差,多数首层为空旷的营业厅,二层以上为用填充墙分隔成的办公室或居室。澜沧地震的主要破坏区域在近场区。整个在地震区见到的柱子破坏形态是沿横轴方向,因层间剪切变形导致柱端出现水平开裂的弯曲破坏形态。沿纵轴方向因窗间墙体与过梁的约束,框架柱呈现出短柱的剪压破坏形态,相互垂直的两水平轴向的地震输入造成上述震害。   2.3日本神户地震   1995年1月17日在日本关西兵库县发行了里氏7.2级大地震,主要表现为竖向地震。神户市存在着新老规范设计并存的建筑,7~8层框架结构较多,这次地震破坏相当严重,主要为钢筋混凝土柱子的混凝土压碎,纵筋压屈,7~8层的框架除个别底层柱子破坏以外,多数框架柱都在第三或第四层发生破坏,主要原因是由于:(1)强梁弱柱,柱发生破坏导致框架中间层倒塌;(2)刚度突变层,如劲性钢筋混凝土结构变为钢筋混凝土结构的变化层;(3)地震力沿高度分布不合理,不少框架结构整体倾斜倒塌。   大量地震实例表明,工程建筑进行抗震设防,所造成灾害的轻重程度是截然不同的。但经过抗震设防和加固的建筑工程也并不能完全有效地防御地震造成的破坏。   目前,一种以柔克刚理念建造的消能减震房屋,正日益受到人们的关注。3房屋建筑的隔震消能   我国41%的国土、50%以上的城市位于地震烈度7度以上的地区,面临的地震灾害形势非常严峻。建造抗强烈地震的建筑物和构筑物是建筑工程领域重要的课题。传统建筑物和构筑物采用提高结构强度和塑性变形能力来抵御和减小地震的破坏作用。由于传统的抗震方法并没有解决房屋上部结构和基础整体刚性的问题,地震时,地面运动能量经过基础输入到房屋结构,致使房屋结构发生振动、变形,甚至倒塌。   基础隔震方法是在建筑物和构筑物基础部位设置橡胶支座,利用橡胶支座水平柔性形成的柔性隔离层吸收或散耗地震能量,阻止或减小地震能量向建筑物和构筑物上部结构传递,使整个建筑物和构筑物自振周期延长,从而减小建筑物和构筑物上部结构对地震的反应。“隔震消能”的基本思想是使基础和上部房屋结构分离,隔离地震能量向建筑物的输入。实现地震时地动建筑物基本不动,达到保证建筑物安全的目的。   泉州市天都广场写字楼(17层)工程是在基础和上部房屋结构之间设置一种特殊装置———隔震层,是由橡胶隔震支座和阻尼器组成。橡胶隔震支座由复合材料体和上、下连接件三部分组成。复合材料体是由一层钢板一层橡胶交替叠合而成,在垂直方向具有很高的强度,能支撑起建筑物重量。水平方向很轻柔,可以有效隔离地震能量向上部房屋结构的输入。通过橡胶隔震支座剪压试验,垂直力模拟房屋等重量,水平推动支座底部移动模拟地震时的地面移动,检测移动量的数值是22cm,相当于8度地震区遇到罕遇地震时支座的移动量。可见,罕遇地震时隔震支座能把房屋安全托起。橡胶隔震支座作为生产厂家产品出售时,必须通过53项指标试验达到标准才算合格。事实上泉州地区受台湾海峡多次大地震的影响,采用隔震技术的建筑在地震时,隔震房屋自身变形很小、只作微略的平动,根本感觉不到震感,而同样周边未设置隔震层的建筑物却明显感到强烈的震感,即便是按泉州市7度抗震设防要求的建筑物也不例外。   同样数据显示,1994年1月的美国洛杉矾大地震和1995年1月的日本阪神大地震中,采用叠层隔震橡胶支座系统的建筑物在地震中显示出优异的抗震效果,不仅建筑物未倒,而且里面的设施也未被破坏。   泉州市侨乡体育馆为使建筑物内的梁与柱的交叉处有一定的灵活性,采用了具有象橡皮筋那样的伸展性的钢缆绳,贯穿在预制混凝土框架内,钢缆绳会让地震造成的建筑物变形,但随后立刻恢复原状,通过计算,这样的建筑结构能够抵御里氏9级左右的地震。   4结束语   由于纵波在地球内部传播速度大于横波,所以地震时,纵波总是先到达地表,横波落后一步。但横波却是地震时造成建筑物破坏的主要原因。发生地震时,人们先感到上下颠簸,数秒后才感到强烈的水平晃动。根据地震这种特性,我们可以制定纵波感应器,并且在建筑物基础安装像汽车安全气囊的感应气垫,一旦地震来临,纵波感应器启动,在横波能量对建筑物造成破坏前感应气垫膨胀并把来自于纵波的能量进行消能。同时通过输入设防等级横波的最大能量,计算出建筑物的水平位移,并在基础支座安装弹簧轻轨,保证建筑物水平的最大位移,抵消来自横波水平剪力对建筑物的破坏,并使建筑物恢复到原来的位置(有类似“不倒翁”性质)。随着科技的不断发展,也可以在建筑物的混凝土柱加入某种纤维外加剂,加强混凝土的抗弯、抗剪能力,使柱子能够类似于臂力器的效果,真正达到'强柱弱梁、强剪弱弯',使建筑物的抗震等级大大提高。   建筑隔震技术是世界许多国家关注的研究课题。我国在这方面已经取得了很大的进展。隔振消能技术为我国在减轻多、低层房屋水平地震灾害中提供了一条行之有效的新途径。