消能減震理論及工程應用

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摘　要:傳統(tǒng)的抗震方法是房屋上部結構和基礎牢牢地連接在一起,地震時,地面運動能量經過基礎輸入到房屋結構,致使房屋結構發(fā)生振動、變形,甚至倒塌。“消能隔震”的基本思想是使基礎和上部房屋結構分離,隔離地震能量向建筑物的輸入。實現(xiàn)地震時地動而建筑物基本不動,達到保證建筑物安全的目的。關鍵詞:地震;隔震消能;橡膠支座;感應氣墊;彈簧輕軌

    1地震的產生及我國國情   由于地球在不斷運動和變化,逐漸積累了巨大的能量,在地殼某些脆弱地帶,造成巖層突然發(fā)生破裂,或者引發(fā)原有斷層的錯動,這就是地震。地震分為構造地震、火山地震、陷落地震和誘發(fā)地震,絕大部分地震都發(fā)生在地殼中。   我國地理位置位于世界兩大地震帶———環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間,受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓,地震斷裂帶十分活躍。20世紀以來,我國共發(fā)生6級以上地震近800次,遍布除貴州、浙江兩省和香港特別行政區(qū)以外所有的省、自治區(qū)、直轄市。地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣,是一個震災嚴重的國家。1900年有記錄以來,我國死于地震的人數達55萬之多,占全球地震死亡人數的53%;地震成災面積達30多萬平方公里,房屋倒塌達700萬間。地震及其他自然災害構成我國的基本國情之一。   2地震對建筑物的破壞情況及原因   地震造成的破壞留給人類是深刻的。國內外大量的地震災害說明,地震雖不可抗拒,但可以通過消能減震技術來減輕對建筑物的破壞。下面就幾起大的地震來說明建筑物所遭受破壞的情況,迫切說明建筑物需要消能減震技術的應用。   2.1唐山地震   1976年7月28日,唐山發(fā)生了里氏7.8級的強烈地震,這次地震的一個重要特點就是位于震中區(qū)的建筑物普遍倒塌。震前唐山市的基本烈度定為6度,各類多層鋼筋混凝土框架結構大多未按抗震要求設防。在9、10度區(qū),框架遭受中等或嚴重破壞甚至倒塌,主要震害是節(jié)點或柱端混凝土嚴重壓碎,鋼筋嚴重壓曲,節(jié)點破壞后柱端水平斷裂、錯位,主體承重結構破壞,尤其是承受重力的豎向構件(柱)的破壞,造成整個框架結構的倒塌。很少有倒塌瓦礫離原結構位置較遠的情況。說明水平地震運動的往復作用破壞了結構,使之成為局部或整體可動機構,而最后倒塌則主要是結構喪失了承受豎向載荷的能力所致。   2.2云南瀾滄地震   1988年11月6日在云南瀾滄縣發(fā)生了7.6級的強烈地震,地震區(qū)內的多層鋼筋混凝土框架結構多為近年來的新建筑,設計中雖然考慮了抗震因素,但由于設計不完善且施工質量較差,多數首層為空曠的營業(yè)廳,二層以上為用填充墻分隔成的辦公室或居室。瀾滄地震的主要破壞區(qū)域在近場區(qū)。整個在地震區(qū)見到的柱子破壞形態(tài)是沿橫軸方向,因層間剪切變形導致柱端出現(xiàn)水平開裂的彎曲破壞形態(tài)。沿縱軸方向因窗間墻體與過梁的約束,框架柱呈現(xiàn)出短柱的剪壓破壞形態(tài),相互垂直的兩水平軸向的地震輸入造成上述震害。   2.3日本神戶地震   1995年1月17日在日本關西兵庫縣發(fā)行了里氏7.2級大地震,主要表現(xiàn)為豎向地震。神戶市存在著新老規(guī)范設計并存的建筑,7~8層框架結構較多,這次地震破壞相當嚴重,主要為鋼筋混凝土柱子的混凝土壓碎,縱筋壓屈,7~8層的框架除個別底層柱子破壞以外,多數框架柱都在第三或第四層發(fā)生破壞,主要原因是由于:(1)強梁弱柱,柱發(fā)生破壞導致框架中間層倒塌;(2)剛度突變層,如勁性鋼筋混凝土結構變?yōu)殇摻罨炷两Y構的變化層;(3)地震力沿高度分布不合理,不少框架結構整體傾斜倒塌。   大量地震實例表明,工程建筑進行抗震設防,所造成災害的輕重程度是截然不同的。但經過抗震設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壞。   目前,一種以柔克剛理念建造的消能減震房屋,正日益受到人們的關注。3房屋建筑的隔震消能   我國41%的國土、50%以上的城市位于地震烈度7度以上的地區(qū),面臨的地震災害形勢非常嚴峻。建造抗強烈地震的建筑物和構筑物是建筑工程領域重要的課題。傳統(tǒng)建筑物和構筑物采用提高結構強度和塑性變形能力來抵御和減小地震的破壞作用。由于傳統(tǒng)的抗震方法并沒有解決房屋上部結構和基礎整體剛性的問題,地震時,地面運動能量經過基礎輸入到房屋結構,致使房屋結構發(fā)生振動、變形,甚至倒塌。   基礎隔震方法是在建筑物和構筑物基礎部位設置橡膠支座,利用橡膠支座水平柔性形成的柔性隔離層吸收或散耗地震能量,阻止或減小地震能量向建筑物和構筑物上部結構傳遞,使整個建筑物和構筑物自振周期延長,從而減小建筑物和構筑物上部結構對地震的反應。“隔震消能”的基本思想是使基礎和上部房屋結構分離,隔離地震能量向建筑物的輸入。實現(xiàn)地震時地動建筑物基本不動,達到保證建筑物安全的目的。   泉州市天都廣場寫字樓(17層)工程是在基礎和上部房屋結構之間設置一種特殊裝置———隔震層,是由橡膠隔震支座和阻尼器組成。橡膠隔震支座由復合材料體和上、下連接件三部分組成。復合材料體是由一層鋼板一層橡膠交替疊合而成,在垂直方向具有很高的強度,能支撐起建筑物重量。水平方向很輕柔,可以有效隔離地震能量向上部房屋結構的輸入。通過橡膠隔震支座剪壓試驗,垂直力模擬房屋等重量,水平推動支座底部移動模擬地震時的地面移動,檢測移動量的數值是22cm,相當于8度地震區(qū)遇到罕遇地震時支座的移動量。可見,罕遇地震時隔震支座能把房屋安全托起。橡膠隔震支座作為生產廠家產品出售時,必須通過53項指標試驗達到標準才算合格。事實上泉州地區(qū)受臺灣海峽多次大地震的影響,采用隔震技術的建筑在地震時,隔震房屋自身變形很小、只作微略的平動,根本感覺不到震感,而同樣周邊未設置隔震層的建筑物卻明顯感到強烈的震感,即便是按泉州市7度抗震設防要求的建筑物也不例外。   同樣數據顯示,1994年1月的美國洛杉礬大地震和1995年1月的日本阪神大地震中,采用疊層隔震橡膠支座系統(tǒng)的建筑物在地震中顯示出優(yōu)異的抗震效果,不僅建筑物未倒,而且里面的設施也未被破壞。   泉州市僑鄉(xiāng)體育館為使建筑物內的梁與柱的交叉處有一定的靈活性,采用了具有象橡皮筋那樣的伸展性的鋼纜繩,貫穿在預制混凝土框架內,鋼纜繩會讓地震造成的建筑物變形,但隨后立刻恢復原狀,通過計算,這樣的建筑結構能夠抵御里氏9級左右的地震。   4結束語   由于縱波在地球內部傳播速度大于橫波,所以地震時,縱波總是先到達地表,橫波落后一步。但橫波卻是地震時造成建筑物破壞的主要原因。發(fā)生地震時,人們先感到上下顛簸,數秒后才感到強烈的水平晃動。根據地震這種特性,我們可以制定縱波感應器,并且在建筑物基礎安裝像汽車安全氣囊的感應氣墊,一旦地震來臨,縱波感應器啟動,在橫波能量對建筑物造成破壞前感應氣墊膨脹并把來自于縱波的能量進行消能。同時通過輸入設防等級橫波的最大能量,計算出建筑物的水平位移,并在基礎支座安裝彈簧輕軌,保證建筑物水平的最大位移,抵消來自橫波水平剪力對建筑物的破壞,并使建筑物恢復到原來的位置(有類似“不倒翁”性質)。隨著科技的不斷發(fā)展,也可以在建筑物的混凝土柱加入某種纖維外加劑,加強混凝土的抗彎、抗剪能力,使柱子能夠類似于臂力器的效果,真正達到'強柱弱梁、強剪弱彎',使建筑物的抗震等級大大提高。   建筑隔震技術是世界許多國家關注的研究課題。我國在這方面已經取得了很大的進展。隔振消能技術為我國在減輕多、低層房屋水平地震災害中提供了一條行之有效的新途徑。