关于在铁路房屋中采用基础隔震技术的探讨

2010-05-04陈诗白

铁道建筑 2010年12期

陈诗白

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 问题的提出

我国近年来地震频发，且震源浅、分布广。仅汶川地震，就造成了大量铁路生产生活房屋的倒塌或损坏。目前铁路房屋抗震设防烈度主要是依据《中国地震动参数区划图》。汶川、玉树等历次大地震之后，迫切需要针对地震区划图的完善性，深入探讨铁路房屋抗震防倒塌的技术对策。

迄今为止，我国已经编制发布了四代地震区划图。几代区划图的编制反映了我国地震科学发展的不同阶段。编图方法从简单的“地震重复”、“百年尺度地震预测”发展到地震危险性概率分析方法［1-2］;编图参数由地震烈度发展到地震动参数。汶川、玉树地震倒塌的大批房屋中，许多是由于未按地震区划设防而倒塌，例如大量的未经正规设计的村镇民居。

而有些“抗震”房屋虽然已按地震区划设防但仍未免于倒塌。这说明，现行地震区划图对许多地区的罕遇地震参数估计过低［2］，尚不能保证房屋抗倒塌目标的实现。因为这些房屋遭遇的实际地震烈度，高于地震区划设防烈度不止一度;而根据现行建筑抗震设计规范，“抗震”房屋“大震不倒”的保障前提仅限于遭遇到比设防烈度高一度的地震作用。

我国铁路建设正处在一个高速发展的历史时期。普遍提高铁路重要生产生活房屋的抗震能力，是保障公众生命安全、减轻地震对铁路运输破坏程度的前提。对于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关铁路房屋，例如行车调度、运转、通信、信号、供电、供水建筑，以及6 000人以上的旅客站房等，按现行规范［3］规定，即按高于区划设防烈度一度的要求加强其抗震构造措施，确实能提高抗震能力，但其提高效果是很有限的。因此建议，对于建在硬土场地的此类铁路重要房屋，宜积极采用国内外较为成熟的基础隔震先进技术。国内外大量试验和工程经验表明［4-5］，基础隔震房屋的抗震能力高于同条件下的传统“抗震”房屋。

2 铁路房屋采用基础隔震技术的进一步探讨

2.1 “抗震”房屋与“基础隔震”房屋

“抗震”房屋是用房屋结构自身的承载力和塑性变形能力直接抗震，立足于“抗”。其缺点是:当房屋遭遇高于设防烈度一度的“大震”时，即使能够“大震不倒”，但结构构件在利用自身承载力和塑性变形能力耗散地震能量的同时，构件本身也遭到损坏，使房屋丧失了使用功能，且房屋内部设备或物品难免被震坏。而且，即使通过“超规范”设计，能提高房屋的抗震能力，但由于房屋结构构件断面加大，质量放大，不仅造价上升，所受到的地震作用也必然增大，形成了不良循环。

区别于“抗震”房屋，“基础隔震”房屋立足于“隔”［6-7］:当地震来袭，基础隔震层能阻隔地震能量向上部结构的传递，因而能保护房屋上部结构和内部设备免遭大的损坏。

2.2 国内外基础隔震房屋的应用情况

我国古建筑营造技术已体现出房屋基础隔震理念的朴素雏形，譬如北京故宫上部结构与基础之间的糯米石灰垫层等。

现代的建筑基础隔震理念是19世纪末由日本提出并且在日本、美国等国家获得快速发展，较为成熟的是采用橡胶隔震支座。应用范围从桥梁到住宅，包括政府大楼、医院、学校、体育场馆、博物馆等。在1994年美国洛杉矶6.8级地震和1995年日本阪神7.2级大地震中，与常规“抗震”房屋相比，隔震房屋显示了令人惊叹的优越性。

20世纪80年代以来，基础隔震技术在我国开始得到关注并采用。1994年台湾海峡发生7.3级地震并波及汕头地区时，汕头市区同地段的传统“抗震”房屋发生了较为剧烈的晃动，而“隔震”房屋的住户们却没有震感。目前我国已建造了超过200万㎡的隔震房屋［8］，其中绝大多数采用的是叠层橡胶隔震装置。

目前，房屋隔震技术标准日趋完善。美国、日本、新西兰等国家相继颁布了建筑隔震设计规程。我国也在2001年颁布了《叠层橡胶支座隔震技术规程》(GECS126:2001)。

在国内铁路房屋建设中，基础隔震技术已在“桥建合一”铁路客站等极少量工程中被采用;而众多的设计使用年限为50年的铁路重要生产生活房屋，仍以“抗震”方式为主。

2.3 新建铁路房屋

为满足铁路运输生产工艺布局等多因素综合需求，混凝土框架、剪力墙和多层砌体结构类型在铁路房屋中所占比例很大。而此类房屋结构类型正是国内外基础隔震技术应用较早、较成熟的房屋结构类型［4，9］。

按照《中长期铁路网规划》［10］，到2020年，全国铁路网营业里程将达到12×104km以上，这必将引发各类铁路重要生产生活房屋的建设高峰。而这些新建房屋无论其建筑规模的大小，都将和房屋内部的工艺设备结合为一体，成为铁路运输的神经枢纽，牵一点而动全局。因此，房屋和设备均不丧失使用功能才是地震后铁路运输系统快速恢复的关键。

若按基础隔震理念设计这些新建铁路房屋，不仅将使房屋本身少受震害，同时将能很好地防护房屋内部工艺复杂的设备。同条件下，新建铁路房屋“抗震”与“隔震”两种方式宏观性能预测对比见表1。

2.4 既有铁路房屋

在既有线改扩建中，对于需要抗震加固利旧的房屋，用传统的“抗震”加固方式(即加固后靠房屋结构自身承载、变形能力来抵抗地震作用)较难达到强度和延性的合理匹配。若采用基础隔震技术对房屋进行加固利旧，不仅加固后抗震能力高于“抗震”房屋，对于铁路运输系统的畅行更具独特益处。同条件下，“抗震”与“隔震”两种加固方式的宏观性能预测对比见表2。

2.5 基础隔震支座的耐久性

按现行标准，大部分铁路重要生产生活房屋设计使用年限为50年。实践表明，隔震支座的工作寿命可超过50年［11］。如澳大利亚墨尔本某铁路桥使用橡胶支座，于1889年建成，已使用100多年，老化深度仅为5 mm。目前的橡胶隔震支座产品，大都采用了外围保护层以及抗老化剂、阻燃剂等措施，寿命可达到或超过房屋设计使用年限。即使隔震层部件在房屋设计使用年限内需要改装、更换，其施工也是不难操作的。

2.6 基础隔震房屋的宏观造价

从表1和表2还可以看出，和“抗震”房屋相比，由于地震动本身主要由隔震层承担而不完全需要上部房屋结构本身“硬抗”，因而房屋上部结构的土建造价会降低很多，可用于抵消隔震层造价。文献［9］认为，隔震技术是在增加不多的投资情况下来提高建筑物的抗震目标。近年来一些隔震房屋工程实例的宏观评估认为，同等造价条件下或造价略有增、减的条件下，“隔震”房屋的抗震设防目标高于传统“抗震”房屋的目标。