浅述房屋基础隔震技术的应用

岑 巍

0 引言

震惊世界的“5◦12”汶川大地震发生后,作为成都铁路局铁路房屋灾后调查活动成员,作者参加了成都铁路沿线房屋的灾后调查工作。处于三条支线末端的什邡、绵竹、都江堰均属于此次地震的重灾区,房屋受地震影响破坏程度非常严重,并通过现场调查,对各种类型不同结构的房屋地震破坏特征有了非常直观的了解,对地震的破坏机理有了一定的认识。此次地震给灾区铁路房屋设备带来的严重破坏及对铁路职工生产生活造成的影响让人触目惊心,作为铁路房屋的管理者,如何提高房屋的抗震性能,减小房屋地震灾害损失成为当前必须思考的问题。作者根据本次房屋震害调查情况的一点启示,从房屋抗震措施改进方面,就如何利用房屋基础隔震技术,提高房屋抗震性能提出自己的一点见解。

1 广木线穿心店站货运楼的震害特征及原因分析

在成都铁路局房屋震害现场调查过程中,广木线穿心店站的货运楼引起了大家的特别关注,因其周围房屋已严重开裂、基本倒塌,但该房屋上部结构却完好无损。在对其震害情况进行了仔细勘察后发现,该房主体结构向后倾斜,倾斜度达1/150,基础圈梁下部砖砌体严重开裂、错位(见图1),上部整体结构未发现裂缝,剔除房屋基础砖砌体装饰层后发现房屋抗震构造柱未伸入室外地面下。铁路沿线的生产生活房屋基本上为多层砖混结构,虽然房屋的受损害程度随房屋的层数、平面布置、高宽比、朝向等因素的不同而各有所异,但破坏特征都有一个共同点,就是处于重灾区的这些砖混房屋上部主体结构均严重开裂甚至倒塌,为什么这栋房屋的上部结构完好无损,为什么它的震害特征和其他房屋不一样,带着这些疑问,作者首先对该房屋的修建情况进行了了解,该房为两层砖混结构,竣工于2006年,6度设防,平面呈矩形分布,处于斜度为30°的坡地上,采取了设置构造柱和圈梁等抗震措施,基础为毛石混凝土条基,地圈梁置于室内地面标高,地圈梁与毛石混凝土基础之间(室内外高差部分)为砖砌体,构造柱从地圈梁开始锚固。其次,对该房屋的地震破坏机理进行了分析推测,该房屋竣工时间短,采取了抗震设计,因此地圈梁以上主体结构规则、整体性好、刚度大、抗震能力强。但该房构造柱从地圈梁开始锚固,未伸入地下基础内,从而削弱了地面至地圈梁部分砖基础的整体性及抗震能力,在地圈梁下部砖砌体部位形成了水平的抗震薄弱环,当地震发生时,薄弱环吸收了大部分的地震能量而严重破坏,再加上该房屋建于坡地上,地基发生偏移沉降也吸收了部分能量,因此传至上部主体结构的地震能量已经很小,结构震动和位移变形很轻微,也就不会出现墙体开裂等通常的震害特征。

为了证明上述推理的正确性,作者查阅了国内房屋抗震研究的相关文献资料,其中的混凝土结构基础隔震设计技术原理能较好地解释和应证这种推理。其中,国家现行GB 50011-2001建筑抗震设计规范已正式纳入了基础隔震技术,对混凝土结构隔震设计技术作出了相应的规定。下面就房屋基础隔震技术设计的原理及当前研究应用情况进行简要的介绍。

2 房屋基础隔震技术抗震原理及基本要求

房屋基础隔震技术的原理就是通过水平刚度低且具有一定阻尼的隔震器将上部结构与基础或底部结构之间实现柔性连接,使输入上部结构的地震能量加速度大为降低,并由此大幅地提高房屋结构对强烈地震的防御能力。

房屋基础隔震体系包括上部结构、隔震器(装置)和下部结构三部分,隔震体系应满足以下基本要求:

1)基础隔震装置应具有一定的阻尼和消能能力,以保证体系在地震时具有的工作性能。2)基础隔震装置必须具有足够的竖向承载力,能够安全支撑上部结构的所有荷载,确保房屋结构在使用状态下的绝对安全并满足使用要求。3)基础隔震装置应具有可变的水平刚度。在强风或微小地震时,隔震器应具有足够高的水平刚度,使上部结构发生的水平位移极小而不影响使用要求。在中等强度地震下,其水平刚度将逐渐变小,使原本刚性的抗震结构体系变为柔性隔震结构体系,其固有周期大大延长而远离场地的特征周期,从而明显地降低上部结构的地震反应。4)基础隔震装置应具有水平弹性恢复力,使房屋隔震结构体系在地震中具有自动复位功能,由此满足震后房屋结构的使用功能要求。

3 房屋基础隔震技术的优越性

1)明显有效地减轻结构的地震反应,提高了地震时结构的安全。国内外大量试验数据和工程经验表明:基础隔震一般可以使结构的水平地震加速度反应降低60%左右,上部结构的地震反应仅相当于不隔震情况下的1/8～1/4。地震时房屋上部结构的地震反应类似于刚体平动,结构的震动和变形均可控制在较轻微的水平,从而使房屋内部设备的安全得到更可靠的保证。2)地震防护措施简单明了。基础隔震设计把非线性,大变形集中到了隔震装置这一特殊的构件上,从考虑整个结构复杂的、不甚明确的抗震措施转换为只考虑隔震装置,这样就可以把设计、试验、制造的注意力集中到这些构件上。由于上部主体结构近似于弹性变形状态,结构分析的方法也可以简化;同时,在地震后,只需对隔震装置进行检查更换,而无需过多地考虑房屋结构本身的修复。3)具有较大经济效益和社会效益。虽然采用基础隔震技术会增加基建投资(约5%),但上部结构抗震措施标准降低会节省建筑的总造价。从已建造的采用基础隔震技术的房屋得知,多层基础隔震房屋比传统抗震房屋节省土建造价:7度节省1%～3%,8度节省5%～15%,9度节省10%～20%。如果将地震灾害的潜在综合损失考虑进去(包括结构、建筑、设备财产以及建筑物中断使用带来的损失),基础隔震房屋具有更高的经济和社会效益。4)大幅度降低地震时内部非结构构件和装饰物的震动、移动和翻倒的可能性,从而大大减轻了次生灾害的危害。

4 基础隔震技术的应用及前景

基础隔震技术经过理论分析、试验研究、工程试点、经济分析,其有效性得到了验证,技术也日益完善与成熟。在国际上,日、美等发达国家已于1985年先后提出了结构隔震设计指南和规范草本。我国现行GB 50011-2001建筑抗震设计规范也已正式纳入了隔震技术。据了解,我国应用基础隔震技术建造的房屋设备已达数百万平方米,涉及生命工程线、民用建筑、古建筑加固等。基础隔震技术适用面很广,既能应用于低层或高层的建筑,也可用于已建建筑的抗震加固;既能用于重要房屋,也可用于一般房屋,尤其适用于量大面广的中、低层砖混房屋和钢筋混凝土房屋。基础隔震技术具有广阔的应用前景。

总之,基础隔震技术在保证建筑物具有更高安全可靠度的同时,其直接和间接的经济效益、社会效益也是非常巨大的。通过工程试点,基础隔震在地震中减轻建筑物地震反应和损害的表现非常出色,此次汶川地震穿心店站的货运楼便是最好的实践证明。铁路是国家的经济命脉,铁路沿线的生产房屋内安装大量昂贵的精密设备,特别是“五所二室”房屋更是对铁路的正常运行提供了非常重要的保障作用,为了减轻地震灾害给铁路运输带来的损失,作为铁路房屋的建设者和管理者,应尽快将这种基础隔震先进技术应用于今后的新建建筑及已建房屋的加固工作中去。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[2] 谷达伟.隔震施工技术在工程中的应用[J].山西建筑,2008,34(12):82-83.

[3] 陈龙珠,陈晓宝,黄 真.混凝土结构防灾技术[M].北京:化学工业出版社,2006:39-88.