低造价农居隔震结构研究现状综述★

2012-08-15余聪杰

山西建筑 2012年31期

孙静余聪杰谭明

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐 830011; 2.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830049)

0 引言

我国是一个多地震国家，地震烈度6度及其以上地区的面积占全国国土总面积的79%。破坏性地震大多数发生在农村地区，地震造成的死亡人员近60%为农村人口。因此地震是威胁农村居民生命和财产安全的突出自然灾害。由于受社会和经济发展水平的限制，农民住房抗震能力非常差，中国广大农村基本不设防。“小震致灾”甚至“小震大灾”，是中国农村地震灾害的显著特点。纵观国内外强震活动的经验教训，如果采用合理的结构形式或者实施一定的抗震措施，完全可以避免或者减少大量人员伤亡。加强经济欠发达地区的村镇地区农居抗震能力已是一个十分紧迫的问题[1]。隔震技术是通过在建筑物的基础与上部结构之间设置柔性隔震层，利用隔震层的柔性变形和阻尼性能延长结构自振周期，吸收地震能量，从而减少上部结构的地震反应。目前，叠层橡胶支座隔震系统是比较成熟且应用广泛的隔震技术。但由于造价较高，且构造复杂，施工难度较大等原因不适用于农居建设的推广应用。考虑到我国农村经济发展情况等现实因素，一方面要求农居具备一定的抗震能力;另一方面要求在确保质量的前提下，施工简便，造价低廉，后期维护成本低。考虑到以上要求，当前我国学者主要在以下几个方面展开了研究。

1 砂垫层隔震技术

砂垫层隔震是在建筑物基础和地基之间铺设一定厚度和密实度的砂或石垫层。地震作用时，通过砂石的大幅变形来消耗地震能量，减小地震动对建筑物的破坏。李立于20世纪60年代首先提出砂垫层隔震思想，并于20世纪70年代中后期建成第一栋砂垫层砖混隔震建筑。当时我国经济尚不发达，以砂这种价格低廉的摩擦材料作为隔震层是切实可行的。

改革开放以来，伴随着经济的发展和技术的进步，不断有学者尝试对砂垫层隔震技术进行改进研究。窦远明等对砂垫层的隔震性能进行了理论分析和实验研究，结果表明砂垫层在地震过程中产生塑性剪切变形，剪切波通过砂垫层得到一定的衰减，致使上部结构地震作用得到减小;砂垫层在振动型地震动作用下的减震性能好于冲击性，且输入地震动的平均频率越高，砂垫层的滤波作用越强[2]。此外，窦远明等还对砂垫层厚度以及基底压力对地面地震反应的影响进行了研究，结果表明砂垫层厚度在减震效果中并不一定起主要的作用，且基底压力的大小与减震效果无关[3]。

刘晓立等研究了输入地震动对砂垫层隔震的影响，计算结果表明:输入的地震波类型不同砂垫层的减震效果也不同，地震波的波型和频谱特性对于砂垫层的减震效果起着重要作用[4]。刘晓立等还对砂垫层刚度对地面地震反应的影响进行了研究，结论证明砂垫层在松散状态下的减震效果比较好[5]。

赵少伟等从振动台试验研究中发现，单一粒径的隔震效果相对连续级配的要好，同时还发现在单一粒径的情况下，无论砂垫层的厚度如何变化，5.0 mm粒径砂垫层总能获得较为理想的隔震效果，分析原因是较大粒径的砂粒之间粘聚力较差的缘故，如果选用筛选的圆粒砂，将可能有更好的隔震效果[6]。

也有学者对砂垫层的材料进行了改进。尚守平等利用废弃橡胶颗粒和砂按一定体积比混合形成混合物垫层作为隔震材料，并进行了振动台试验。结果表明，橡胶颗粒与砂的混合物在地震动时发生塑性变形，减少了地震波高频分量的输入，有效的耗散了地震能量，使变形集中于隔震层，对上部结构起到了减震作用。

砂垫层隔震造价较低、耐久性好、取材方便、干湿滑移性能不变。虽然对砂垫层隔震技术的研究取得了一些进展，但仍有待进一步完善。今后应重点在砂垫层隔震滑移变形的机理和计算模型问题上加以突破，建立科学有效的分析设计方法，使砂垫层隔震技术能在农居建设中得到更好的应用。

2 沥青层隔震技术

沥青作为建筑材料，具有较高的弹性性能、良好的抗疲劳性能和较大的阻尼比，是一种良好的隔震材料。目前，沥青在隔震技术方面的应用主要为改性沥青隔震垫及钢筋—沥青复合隔震层。

在国内，钱国桢等人首先提出以沥青作为隔震层主要材料的低造价的隔震技术，并据此研制了改性沥青隔震垫[9]。它主要的构造由三部分组成，中心胎为一层或数层石棉布(或麻布)，其上下涂以沥青混合料，其外用塑料薄膜封闭，厚3 mm～7 mm。可制成圆形、正方形或长方形。与叠层橡胶隔震垫相比，改性沥青隔震垫造价较低，施工方便，对以砖混建筑为主的村镇农居来说是一种简单有效廉价的隔震途径。它自身较大的阻尼比，可明显衰减地震反应。由于经过加载循环后，部分动能转换成热能而使沥青制品软化，所以其侧向刚度在经过多次剪切加载循环后呈递减趋势，而其阻尼比呈递增趋势。这种变化对保证隔震安全是大有益处的。而且改性沥青隔震垫破坏形式稳定，不会产生明显的突变和倾斜，所以它是一种安全的隔振垫，不会对上部结构造成破坏。此外，钱国桢等人还对改性沥青隔震垫的耐久性能和设计方法做了深入研究，并做了振动台实验。结果表明改性沥青隔震垫能够满足一般刚性较大建筑的隔震要求，适宜于在村镇民居中推广应用。

钢筋—沥青复合隔震层首先由尚守平等提出[11]。钢筋—沥青复合隔震层位于新建建筑底圈梁与基础之间。在其间布置一定数量的钢筋，在钢筋之间填充沥青油膏，并隔一定的间距设置砖墩。隔震层的高度宜控制在180 mm～300 mm，隔震钢筋直径不宜太大，一般为6 mm～10 mm，砖墩低于隔震层10 mm左右。此方法原理明确，即利用钢筋在水平方向的弹性刚度较竖向的弹性刚度小很多而起到水平向的隔震作用。在多遇地震作用下，隔震层内的钢筋处于弹性状态，具有恢复力，上部结构在隔震层以上做弹性水平往复振动。隔震层消耗了大量的地震能量，上部结构受的地震作用很小，甚至只有弹性变形没有破坏，达到小震不坏的目的。当遇到罕遇地震时，隔震层钢筋屈服，发生塑性流动，上部结构和基础上梁一起坐落在砖墩上，继续滑动耗能。由于基础上梁与砖墩只相隔10 mm左右，故上部结构坐落在砖墩上时不易产生过大的倾斜而倒塌，从而达到大震不倒的目的。具有阻尼性能的沥青油膏作为填充材料不仅可以消耗能量，还能保护钢筋不被锈蚀。

通过假定钢筋在弹性范围内工作且无初始弯矩，尚守平等人给出了钢筋—沥青复合隔震层的计算模型及简化计算方法，并进行了振动台实验。结果表明在不同的加速度幅值地震动输入下，隔震层均能吸收大部分地震能量，有效地减少了上部结构地震反应，起到良好的减震效果[13]。从理论分析和实验结果可以看出，此隔震技术工作可靠，价格低廉，施工简易，维修保养方便。另外，尚守平等人还根据此项技术研制出一种新型隔震墩，也适用于在我国广大农村地区新建建筑和既有建筑的加固中推广使用[16]。

虽然沥青很适于用作隔震材料，但其在隔震层应用中的阻尼机理，耐久性及合适的力学模型等问题的研究还不够完善。沥青隔震层作为成熟的隔震技术被大面积推广应用于工程实际，还有待进一步的深入研究。

3 摩擦滑移隔震技术

摩擦滑移隔震技术是开发应用最早的隔震措施之一，其基本原理是:在上部结构基础之间设置摩擦滑移隔震层，允许建筑物在发生地震时相对于基础做整体水平运动。由于隔震层抗剪刚度很小，限制了地震作用向上部结构的传递，同时，上部结构在滑移过程中通过摩擦耗散了地震能量，从而达到隔离地震的效果。摩擦滑移技术简单易行，造价较低，且受地面运动频率特性的影响较小，几乎不发生共振现象。目前常用的滑移材料有砂粒、石蜡、柔性石墨涂层、聚四氟乙烯板等低摩阻材料。

根据我国农居建筑的特点，李立等于20世纪70年代后期提出砂层滑动隔震。利用砂粒性质稳定，耐腐蚀，造价低的特性，与水磨石板在距室内地坪10 cm处共同形成摩擦滑移隔震层。这种做法对减少水平地震作用很有效，而且水平滑动缝还可起防潮层的作用。

除砂粒外，石墨也是一种较理想的低摩阻滑移材料，它造价低，多次滑动性能不变，特别适用于我国农村量大面广的砌体房屋。谷伟等对石墨滑移隔震砌体房屋在地震烈度、场地类别、结构基本周期等因素影响下的错动位移进行了研究[18]。结果表明场地条件、地震烈度对错动位移幅值有较大影响，而结构周期对错动位移幅值影响较小。

当前这类技术主要的问题在于震时隔震层滑移量较大，不能有效的限制滑移量且震后不能复位。目前国内外学者正在对摩擦滑移材料与滞变形限位装置的并联应用进行深入研究。赵桂峰等对村镇建筑带限位装置摩擦隔震体系的参数影响进行了研究[19]。通过大量计算给出了摩擦系数、隔震层弹性刚度等参数选取的合理取值范围，为该隔震体系的简化设计和实际应用提供了依据。曹万林等人提出了一种新型带限位装置的石墨—玻璃丝布板—石墨隔震层基础隔震砌体房屋，为逐步解决村镇房屋的地震安全问题提供了实用技术支撑[20]。

4 废旧轮胎隔震技术

陈文、熊峰等设计采用了一种适合农居砌体房屋的废旧轮胎隔震系统[21]，这种废旧轮胎隔震系统是指在砌体结构基础圈梁下由废旧轮胎隔震垫作为隔震部件的一种基础隔震系统。废旧轮胎隔震垫将废旧轮胎的胎冠多层叠加，每隔一定距离铺设在基础圈梁下形成柔性隔震层。其对废旧轮胎隔震垫进行了一系列的力学实验，得到了废旧轮胎隔震垫的一系列力学性能指标。这种隔震系统只有在一定的竖向压力下，才会有良好的隔震效果，故废旧轮胎隔振垫的数量和布置间距是此类隔震房屋设计的重点。废旧轮胎隔震垫能够明显的降低地震反应，制作简单，安装方便，同时因为利用回收的旧轮胎，环保并降低了房屋造价。

除此以外，张超、王瑞等进行了另一类采用橡胶粉进行房屋隔震的实验研究[22]。橡胶粉的来源是以废旧轮胎为主的废旧橡胶制品，橡胶粉具有很强的压缩和剪切变形能力，同时，变形过程中，颗粒之间产生相互摩擦消耗能量，具有很好的消能隔震特性。其通过静力指挥性能试验和振动台试验得到了橡胶粉堆积状态、颗粒粒径以及承载重量对其力学性能的影响规律，为隔震系统的设计提供了依据。

5 纤维橡胶隔震技术

黄襄云，周福霖等研究开发了一种适用于广大村镇砌体房屋的新型低造价纤维橡胶隔震支座[23]。与传统的叠层橡胶支座相比，这种新型隔震装置取消了上下联接钢板，并用纤维层代替叠层钢板，使得隔震支座的造价和重量大幅降低，同时，这种隔震支座隔震效果明显，具有自动复位功能，可进行手工切割、安装方便，容易推广使用。黄襄云等对此支座的力学性能进行了试验研究并与叠层钢板橡胶支座进行了对比分析，并对使用此支座的砌体结构房屋模型与同比例的非隔震砌体结构房屋模型进行了振动台对比试验。结果表明此支座能将结构周期延长15倍左右，在7度，8度，9度地震作用下均有较好的隔振效果。

6 结语

我国农村人口聚集的大部分地区是地震发生比较频繁的地区。隔震技术在农居地震安全工程中有很大的应用前景。近年来，我国进入地震频发期，更应该做好农村的抗震工作。建设部门应加强对农村房屋的抗震指导，加强抗震知识的宣传教育，促进低造价农居隔震技术的具体应用，形成抗震设防的共识，将未来的地震灾害减少到最低限度。

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