以柔克刚的隔震技术

李湘洲

就目前的科技能力而言，减轻地震灾害损失的最佳办法，应放在提高建筑物的抗震能力上。要达到这一目的，首先必须了解地震是怎样对建筑物造成破坏的?

地震波与房屋破坏

由于建筑物依附在地球表面，建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。简单地说，建筑物破坏有三种方式：上下颠簸、水平摇摆、左右扭转。多数的时候，还是三种方式的复合作用。

地震波的传播方式有纵波、横波、表面波，由于地球表层岩性的复杂性，传播过程中也会出现像激流中“旋涡”一样的复杂情况。

纵波首先到达地面的波被称为纵波。它是一种像手风琴的风箱一样一伸一缩的地震波。这种波使建筑物上下颠簸，力量非常大，建筑物来不及跟着运动，导致底层柱子和墙突然增加很大的动荷载，叠加建筑物上部的自重压力，若超出底层柱、墙的承载能力，柱、墙就会垮掉。底层垮掉后，上面几层建筑的重量就像锤子砸下来一样，又压坏第二层，发生连续倒塌，整个建筑物直接“坐”下来，原来的第三层瞬间变为第一层……

横波在纵波之后到达地面的是横波。它可引起地面水平晃动，传播较慢，减弱也较慢，传播的距离也远些。所以，在震区内，先是感到地面激烈的上下跳动，然后才是水平晃动。离震中较远的地方，上下跳动就不如水平晃动那么明显。离震中更远的地方，往往只能感到水平晃动了。与纵波不同，横波只能在固体中传播，不能在液体中传播。

表面波当纵波和横波到达地面后，一部分转化成表面波。它比前两种波传播得慢，但其破坏性也大，有的表面波能把地面震动得像波浪翻滚的大海一样，建筑物就像浪尖上的小船。表面波使建筑物水平摇摆，相当于对建筑物沿水平方向施加了一个来回反复的作用力，若底部柱、墙的强度或变形能力不够，就会使整栋建筑物向同一方向歪斜或倾倒，在震区常常看到这种现象。

破坏建筑物的第三种作用方式是扭转。引起扭转的原因是有的地震波本身就是打着“旋儿”过来的，也有的情况是因为表面波到达建筑物两端早晚的时间差引起的，这种情况引起建筑物扭动。震区有的房子角部坍塌，多属这种情况。

此外，每栋建筑都有自己特定的自震频率，如果这个频率与地震作用的频率接近，还会引起类似共振的效用，那样带来的破坏力就更可怕了。

要抗震还要隔震

传统的抗震方法，主要是针对建筑物的结构，通过合理的设计，保证建筑物在规定的地震烈度范围内不受破坏，比如在砖混结构中设置构造柱、建设框架结构的建筑等。但这是一种“刚性”抗震结构，其地震反应是“放大晃动型”，容易发生脆性破坏。

另辟蹊径的隔震技术是将过去传统的“硬抗”技术转变为“软抗”，将建筑物的上部结构和基础“隔开”。所谓“基础隔震”是在建筑物底部与地基之间，增加适当的缓冲物，使建筑物在受到地震波作用后的加速度反应大大减弱，同时让建筑物的位移主要由隔震系统承担，从而使建筑物在地震中产生的变形非常小，以达到防护目的。一般来说，基础隔震机构的地震反应只是抗震结构的1／4～1／12，大大提高了结构的安全度。

目前应用较多的隔震元件是叠层橡胶支座。隔震橡胶支座是由一层钢板一层橡胶层层叠合起来的，并经过加工将橡胶与钢板牢固地结合在一起。首先，隔震支座有很高的竖向承载能力和很小的压缩变形，可确保建筑的安全：第二，隔震支座还具有较大的水平方向上的变形能力，在地震作用下，橡胶垫可以隔离水平方向的运动分量；第三，橡胶隔震支座具有弹性复位特性，地震后可使建筑自动恢复原位。采用隔震橡胶支座的建筑物，设防目标一般可以提高一个设防等级。传统建筑的设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，而设计合理的基础隔震建筑通常能做到“小震不坏，中震不坏或轻度破坏，大震不丧失功能”。

叠层橡胶支座作为隔震系统最初是在1965年用于伦敦的地铁车站上面的建筑，采用多层橡胶支座防止了地铁的振动传给上部建筑物。基础隔震技术已在国内外得到实际应用，取得很好的防震减灾效果。例如，1994年1月17日，在美国发生的洛杉矶地震，震级为6.7级，伤亡超过7000人，损失很大。大多数医院因建筑内部设备损坏而失去使用功能。与此相反，南加州大学医院是一个地下一层、地上七层的隔震建筑。地震中该建筑内的各种仪器设备均未损坏，甚至花瓶也没有一个掉下来。之后的1995年1月17日，日本发生了7.2级“阪神”地震。震区内有两栋基础隔震建筑，一个为邮政楼，一个是研究所。同样神奇的是，基础隔震建筑不仅结构保持完好无损，内部设施也完全正常。广东省汕头市陵海路有一座8层住宅楼，它建成于1993年，不仅是中国第一幢橡胶支座隔震房屋，也是当时世界上最高、最大的基础隔震住宅楼。它虽没有直接经受过地震的考验，但也间接验证了隔震建筑的不同寻常。2006年12月26日，发生在台湾海域的强震也同样撼动了南粤大地，市民普遍有感，而隔震楼中的居民却完全没有感觉到晃动。

隔震技术有标准

实践表明，隔震建筑的抗震效果令人信服，这促使各国相继制定出适合自己国情的隔震设计标准，其中以中、美、日三国具有代表性。

我国的《建筑抗震设计规范》(2001年)在基础隔震设计目标上规定：在遭受小强度地震影响时，建筑结构基本不受损坏和影响使用功能；当遭遇设防烈度的地震影响时，不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，将不发生危及生命安全和丧失使用功能的破坏。

美国在《建筑统一设计规范》(1997年)中规定了如下隔震设计目标：受中、小地震作用时结构元件或建筑物内的设备等不出现破坏；受大震作用时，隔震系统不出现破坏，结构元件不出现大的破坏，非结构元件不出现重大破坏，并且不影响结构的功能。

日本在《日本建筑隔震设计指南》中的隔震设计目标为：在大地震时，隔震建筑上部结构构件不会产生破坏，人员和财产安全可以得到保证。

目前，除了研究和应用较多的叠层橡胶支座隔震技术外，还有砂垫层隔震、石墨垫层隔震、摩擦滑移支座隔震及橡胶隔震支座与摩擦滑移支座并联复合隔震技术等。隔震技术的发展，可充分地适应各地区、城市及乡村的不同要求。基础隔震技术可作为地震防御区城市抗震防灾的措施之一，应用于防灾指挥中心、生命线工程、避难中心、救护中心以及居民住宅建筑的建设。可以预见，基础隔震技术将在防震减灾事业中起到巨大的积极作用。

消能减震用“阻尼”

地震中建筑物的节点处受力最大，破坏也最严重，在建筑物节点处设置阻尼器的消能减震技术也应运而生。

在物理学上，使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，称为“阻尼”。安置在结构系统上的特殊构件，可以提供阻力来耗减运动能量的装置，就称为“阻尼器”。这种阻尼器用在建筑物的某些关键点上，可大量消耗地震波输入到建筑物的能量，保护主体结构免遭破坏。

目前，应用较多的阻尼器叫粘滞阻尼器，它由缸体、活塞和粘性体组成。与增强梁、柱、墙来提高抗振动的传统方法相比，这种消能减震的阻尼器具有保持建筑原貌、效果明显、节约经费和缩短工期等优点。

例如，美国旧金山的威尔斯·法戈银行大楼在1989年地震中受损，其加固时就采用了金属阻尼器；美国波士顿的一幢35层建筑在1996年进行抗震加固，共安装了40个粘滞阻尼器。国内在这方面也有不少应用。如1998年启动的首都防震减灾示范区中，北京的一些标志性建筑如火车站、北京展览馆和北京饭店等，均采用了粘滞阻尼器进行加固，提升了这些老建筑的抗震水平。

责任编辑庞云