消能減震理論及工程應(yīng)用

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摘　要:傳統(tǒng)的抗震方法是房屋上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)牢牢地連接在一起,地震時(shí),地面運(yùn)動(dòng)能量經(jīng)過基礎(chǔ)輸入到房屋結(jié)構(gòu),致使房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)、變形,甚至倒塌。“消能隔震”的基本思想是使基礎(chǔ)和上部房屋結(jié)構(gòu)分離,隔離地震能量向建筑物的輸入。實(shí)現(xiàn)地震時(shí)地動(dòng)而建筑物基本不動(dòng),達(dá)到保證建筑物安全的目的。關(guān)鍵詞:地震;隔震消能;橡膠支座;感應(yīng)氣墊;彈簧輕軌

    1地震的產(chǎn)生及我國(guó)國(guó)情   由于地球在不斷運(yùn)動(dòng)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(cuò)動(dòng),這就是地震。地震分為構(gòu)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(guó)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(jì)以來,我國(guó)共發(fā)生6級(jí)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(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣,是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的國(guó)家。1900年有記錄以來,我國(guó)死于地震的人數(shù)達(dá)55萬之多,占全球地震死亡人數(shù)的53%;地震成災(zāi)面積達(dá)30多萬平方公里,房屋倒塌達(dá)700萬間。地震及其他自然災(zāi)害構(gòu)成我國(guó)的基本國(guó)情之一。   2地震對(duì)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(guó)內(nèi)外大量的地震災(zāi)害說明,地震雖不可抗拒,但可以通過消能減震技術(shù)來減輕對(duì)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(shù)的應(yīng)用。   2.1唐山地震   1976年7月28日,唐山發(fā)生了里氏7.8級(jí)的強(qiáng)烈地震,這次地震的一個(gè)重要特點(diǎn)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(jié)構(gòu)大多未按抗震要求設(shè)防。在9、10度區(qū),框架遭受中等或嚴(yán)重破壞甚至倒塌,主要震害是節(jié)點(diǎn)或柱端混凝土嚴(yán)重壓碎,鋼筋嚴(yán)重壓曲,節(jié)點(diǎn)破壞后柱端水平斷裂、錯(cuò)位,主體承重結(jié)構(gòu)破壞,尤其是承受重力的豎向構(gòu)件(柱)的破壞,造成整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的倒塌。很少有倒塌瓦礫離原結(jié)構(gòu)位置較遠(yuǎn)的情況。說明水平地震運(yùn)動(dòng)的往復(fù)作用破壞了結(jié)構(gòu),使之成為局部或整體可動(dòng)機(jī)構(gòu),而最后倒塌則主要是結(jié)構(gòu)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(jí)的強(qiáng)烈地震,地震區(qū)內(nèi)的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)多為近年來的新建筑,設(shè)計(jì)中雖然考慮了抗震因素,但由于設(shè)計(jì)不完善且施工質(zhì)量較差,多數(shù)首層為空曠的營(yíng)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(chǎng)區(qū)。整個(gè)在地震區(qū)見到的柱子破壞形態(tài)是沿橫軸方向,因?qū)娱g剪切變形導(dǎo)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(guān)西兵庫(kù)縣發(fā)行了里氏7.2級(jí)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(shè)計(jì)并存的建筑,7~8層框架結(jié)構(gòu)較多,這次地震破壞相當(dāng)嚴(yán)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(gè)別底層柱子破壞以外,多數(shù)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(qiáng)梁弱柱,柱發(fā)生破壞導(dǎo)致框架中間層倒塌;(2)剛度突變層,如勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變?yōu)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的變化層;(3)地震力沿高度分布不合理,不少框架結(jié)構(gòu)整體傾斜倒塌。   大量地震實(shí)例表明,工程建筑進(jìn)行抗震設(shè)防,所造成災(zāi)害的輕重程度是截然不同的。但經(jīng)過抗震設(shè)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(guān)注。3房屋建筑的隔震消能   我國(guó)41%的國(guó)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(zāi)害形勢(shì)非常嚴(yán)峻。建造抗強(qiáng)烈地震的建筑物和構(gòu)筑物是建筑工程領(lǐng)域重要的課題。傳統(tǒng)建筑物和構(gòu)筑物采用提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)整體剛性的問題,地震時(shí),地面運(yùn)動(dòng)能量經(jīng)過基礎(chǔ)輸入到房屋結(jié)構(gòu),致使房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)、變形,甚至倒塌。   基礎(chǔ)隔震方法是在建筑物和構(gòu)筑物基礎(chǔ)部位設(shè)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(gòu)筑物上部結(jié)構(gòu)傳遞,使整個(gè)建筑物和構(gòu)筑物自振周期延長(zhǎng),從而減小建筑物和構(gòu)筑物上部結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)。“隔震消能”的基本思想是使基礎(chǔ)和上部房屋結(jié)構(gòu)分離,隔離地震能量向建筑物的輸入。實(shí)現(xiàn)地震時(shí)地動(dòng)建筑物基本不動(dòng),達(dá)到保證建筑物安全的目的。   泉州市天都廣場(chǎng)寫字樓(17層)工程是在基礎(chǔ)和上部房屋結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(fù)合材料體和上、下連接件三部分組成。復(fù)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(qiáng)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(jié)構(gòu)的輸入。通過橡膠隔震支座剪壓試驗(yàn),垂直力模擬房屋等重量,水平推動(dòng)支座底部移動(dòng)模擬地震時(shí)的地面移動(dòng),檢測(cè)移動(dòng)量的數(shù)值是22cm,相當(dāng)于8度地震區(qū)遇到罕遇地震時(shí)支座的移動(dòng)量?？梢?罕遇地震時(shí)隔震支座能把房屋安全托起。橡膠隔震支座作為生產(chǎn)廠家產(chǎn)品出售時(shí),必須通過53項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才算合格。事實(shí)上泉州地區(qū)受臺(tái)灣海峽多次大地震的影響,采用隔震技術(shù)的建筑在地震時(shí),隔震房屋自身變形很小、只作微略的平動(dòng),根本感覺不到震感,而同樣周邊未設(shè)置隔震層的建筑物卻明顯感到強(qiáng)烈的震感,即便是按泉州市7度抗震設(shè)防要求的建筑物也不例外。   同樣數(shù)據(jù)顯示,1994年1月的美國(guó)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(shè)施也未被破壞。   泉州市僑鄉(xiāng)體育館為使建筑物內(nèi)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(yù)制混凝土框架內(nèi),鋼纜繩會(huì)讓地震造成的建筑物變形,但隨后立刻恢復(fù)原狀,通過計(jì)算,這樣的建筑結(jié)構(gòu)能夠抵御里氏9級(jí)左右的地震。   4結(jié)束語(yǔ)   由于縱波在地球內(nèi)部傳播速度大于橫波,所以地震時(shí),縱波總是先到達(dá)地表,橫波落后一步。但橫波卻是地震時(shí)造成建筑物破壞的主要原因。發(fā)生地震時(shí),人們先感到上下顛簸,數(shù)秒后才感到強(qiáng)烈的水平晃動(dòng)。根據(jù)地震這種特性,我們可以制定縱波感應(yīng)器,并且在建筑物基礎(chǔ)安裝像汽車安全氣囊的感應(yīng)氣墊,一旦地震來臨,縱波感應(yīng)器啟動(dòng),在橫波能量對(duì)建筑物造成破壞前感應(yīng)氣墊膨脹并把來自于縱波的能量進(jìn)行消能。同時(shí)通過輸入設(shè)防等級(jí)橫波的最大能量,計(jì)算出建筑物的水平位移,并在基礎(chǔ)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(duì)建筑物的破壞,并使建筑物恢復(fù)到原來的位置(有類似“不倒翁”性質(zhì))。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(qiáng)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(dá)到'強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎',使建筑物的抗震等級(jí)大大提高。   建筑隔震技術(shù)是世界許多國(guó)家關(guān)注的研究課題。我國(guó)在這方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。隔振消能技術(shù)為我國(guó)在減輕多、低層房屋水平地震災(zāi)害中提供了一條行之有效的新途徑。