隔震結構和材料的穩定性、強度以及地震與建築物***振的關系

1?基礎隔震技術的發展與現狀

1．1?基礎隔震技術的早期階段

基礎隔震概念最早是由日本學者河合浩藏於1981年提出的，認為先在地基上縱橫交錯放置幾層圓木，圓木上做混凝土基礎，再在混凝土基礎上蓋房，以削弱地震傳遞的能量．

1909年，美國的J.A.卡蘭特倫茨提出了另外壹種隔震方案，即在基礎與上部建築物之間鋪壹層滑石或雲母，這樣地震時建築物會發生滑動，以達到隔離地震的目的．

1921年，美國工程師F．L．萊特在設計日本東京帝國飯店時，有意用密集的短樁穿過表層硬土，直接插到軟泥土層底部，利用軟泥土層作為隔震層．1923年關東大地震發生，附近同類建築毀壞嚴重，但這個建築卻保持完好．

1924年，日本的鬼頭健三郎提出了在建築物的柱腳與基礎之間插入軸承的隔震方案．1927年，日本的中村太郎論述了加裝阻尼器吸能裝置，在隔震理論方面進行了有益的探索．

在這壹階段，雖然有了清晰的隔震概念和壹定的隔震理論基礎，但限於當時的水平與條件，基礎隔震技術的應用未被很好地研究與開發．

1．2?基礎隔震技術的現代階段

隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結構工程的進壹步考驗，特別是近二三十年來，由於采用大量的強震記錄儀對地震進行觀測，使人們較快地積累了有關隔震及非隔震結構工作性能的定量化經驗，從而對早期提出的壹些隔震方法進行了淘汰與升華．其中疊層橡膠墊基礎隔震體系被認為是隔震技術邁向實用化最卓有成效的體系．

1984年新西蘭建造了世界上第壹幢以鉛芯疊層橡膠墊作為隔震元件的4層建築物．1985年美國建成第壹座4層的疊層橡膠墊隔震大樓加州?聖丁司法事務中心．1986年日本又建成壹幢5層高技術中心樓，采用鉛芯橡膠墊．目前，世界上大約有30多個國家在開展這方面的研究，這項技術已被應用在橋梁、建築，甚至是核設施上．截止目前，世界上大約已建成了3100多幢基礎隔震建築，其中80%以上采用的是疊層橡膠墊隔震系統〔1〕．

80年代以來，基礎隔震研究開始在我國得到重視，國內不少學者對國際上流行的基礎隔震體系進行了研究，取得了較大的進展．現在，我國已建造了2000余幢各類基礎隔震體系的建築物，有疊層橡膠墊隔震體系、砂墊層滑移摩擦體系、石墨砂漿滑移體系、懸掛隔震結構體系等，其中絕大多數采用的是粘結型疊層橡膠墊隔震體系．現代隔震技術經歷了30年的歷程，得到了廣泛的應用，目前隔震技術的應用程度在日本等國家，已經成為建築的主導；我國將在2007年（在應用面積上）首次超過日本。

2?疊層橡膠墊體系的隔震原理

用建築物的地震反應譜來說明基礎隔震原理，其加速度反應譜和位移譜曲線如圖1所示．

圖1?結構反應譜曲線

從圖中可以看出，對建築物地震反應有重要影響的主要因素有兩個：壹個是結構的周期，壹個是阻尼比．普通非隔震中低層建築物的剛度大、周期短，其基本周期正好在地震輸入能量最大的頻段上．因此相應的加速度反應比地面運動放大得多，而位移反應卻較小，如圖中A點所示．如果延長建築物的周期，而保持阻尼不變，則加速度反應被大大降低，但位移反應卻有所增加，如圖中B點所示．如果繼續加大結構的阻尼，加速度反應則繼續減弱，且位移反應也得到明顯降低，如圖中C點．這就是說，通過延長結構的周期並給予較大的阻尼，就可使結構上的加速度反應大大降低．同時，對結構產生的較大位移可由上部結構底部和基礎頂部之間設置的隔震層來提供，而不由上部結構自身的相對位移來承擔．這樣，上部結構在地震過程中就會發生接近平移的運動，大大提高了上部結構的安全度．

疊層橡膠墊基礎隔震體系的隔震層是由若幹個隔震器所組成．隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊．這種隔震體系的周期長、阻尼比大，隔震效果明顯．尤其采用後兩種隔震器，不需再另外附加阻尼器，便於施工．

3?疊層橡膠墊基礎隔震體系的性能評價

在諸多基礎隔震體系中，通過大量的實驗和研究，根據國際上對隔震體系的評價標準，疊層橡膠墊隔震體系有下面壹些性能優勢：

1)?該體系的豎向承載力大．壹般單個的隔震器豎向承載力設計值可達數千噸，極限承載力可達上萬噸．

2)?該體系的隔震層具有穩定的彈性復位功能，能在多次地震中自動瞬時復位．這是摩擦滑移隔震體系所完全不能相比的．

3)?隔震器的耐久性好，抗低周疲勞性能、抗熱空氣老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均較好．通過對產品試件的各類性能測試，其使用壽命在60～80年〔2〕．最近日本曾將壹幢使用了10年之久的疊層橡膠墊基礎隔震樓中的隔震器更換下來進行各類性能測試，結果發現，其各類指標與10年前相比，幾乎沒有什麽變化．

4)?隔震效果明顯，其加速度反應大大低於非隔震結構，且理論分析結果與實驗結果比較吻合．如日本東京壹幢22.8?m高的鋼筋混凝土基礎隔震樓，在1987年12月17日千葉近海發生的6.7級地震中，實測地面加速度為43.8?cm/s2，而樓頂的最大加速度僅為11.9?cm/s2．在疊層橡膠墊基礎隔震體系課題的研究過程中，通過對4種不同類型結構隔震體系的分析與計算，可看出抗震設防烈度為8度的地區，若采用疊層橡膠墊基礎隔震體系，上部結構的設防烈度可降低1～2度，且有較大的安全儲量．

5)?與其它隔震體系相比，隔震器受地基不均勻沈降的影響並不十分明顯，且構造簡單、安裝方便，傳力方式簡單明確．

盡管疊層橡膠墊隔震結構有諸多明顯的優點，但在研究過程中發現，該體系在動力性能方面要求相當嚴格，不論從設計還是到施工，都與傳統的非隔震結構有很大的區別．為了保證分析與計算結果的可靠性，分別采用4條途徑分析了不同類型的4種結構體系的動力響應，發現：

1)?疊層橡膠墊基礎隔震結構的動力特性，不但隨結構體系的類型不同而變化，而且與隔震器安裝位置的不同也有很大關系．因此，在設計時不但要對其進行專門的概念設計，而且應從多角度進行動力分析，合理、準確地把握其動力響應，才能保證做出安全、可靠的設計．

2)?在隔震結構中，為了真正實現上部結構與地面的“隔離”，還需註意壹些關鍵部位的構造處理．如底層樓梯與主體結構的隔離處理，上下水、煤氣、供暖及配電管道穿越隔震層時的柔性化問題等，有壹方面疏忽都會在地震中帶來巨大的災難．

3)?除此之外，疊層橡膠墊基礎隔震體系的隔震層對施工的要求是比較嚴格的．隔震層的位移不能受任何原因的幹擾和約束，施工時不能損傷隔震器及其附件，並要求隔震器安置有較高的水平度，以確保地震時隔震層能發生水平位移並瞬時復位．

4?結論

1)?由於疊層橡膠墊隔震體系具有豎向承載力大、彈性復位功能強、隔震效果明顯等性能優勢，因此在設計中，對傳統樓房的高度限值和安全距離等限制條件均可適當放寬．

2)?研究結果表明，疊層橡膠墊基礎隔震體系上部結構的設防烈度可降低1～2度，且仍有較大的安全儲量．

3)?雖然隔震體系要增加壹層隔震層，似乎造價有所增高．但隨上部結構設防烈度的降低而節約的造價，可用於建造隔震層．因此，對整個隔震建築的工程造價來說，和同類非隔震建築相比，基本持平或略有降低．如果把地震時建築結構的破壞、內部財產的損失、人員傷亡以及建築物損壞造成的停工停產所帶來的損失加起來，該基礎隔震體系的經濟效益和社會效益十分巨大，是壹種極具推廣和應用的新技術

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天然橡膠隔震技術能抵禦8.3級或更強地震!

此次四川汶川大地震，生死轉換於傾刻，最直接和最嚴重的危害來自於大量缺少足夠防震措施樓房的塌陷，如果那些建築采用了經世界範圍內實踐檢驗的防震施工技術，大量傷亡的現實也許會重寫，幾萬同胞鮮活的生命也許不會那麽幽怨和無奈的逝去。

技術背景

馬來西亞橡膠委員會（MRB）於1976年首創天然橡膠隔震技術（RSIT），開啟建築物抵禦地震災害的天然橡膠基礎隔震技術研發，並壹直與美國加州大學伯克利分校的地震工程研究中心（EERC）（現為PEER，太平洋工程研究中心）密切合作。

馬來西亞橡膠研究所(RRIM)和英國敦阿蔔杜勒拉紮克研究中心(TARRC)是馬來西亞橡膠委員會產品研發的先鋒。馬來西亞橡膠委員會在過去70多年中對世界橡膠工業的發展有著巨大貢獻，特別是在天然橡膠領域的基礎研究方面，僅在天然橡膠隔震技術（RSIT）的研發上就已經累計花費了數億馬幣的資金，並且仍舊按每年數百萬馬幣持續投入。馬來西亞橡膠委員會（MRB）橡膠隔震技術（RSIT）的成功，在全球範圍內已挽救了數百萬人生命和數十億美元價值的資產免遭地震災害摧毀。

天然橡膠基礎隔震系統在美國、日本、英國得到率先應用，稍後EERC和MRPRA之間的合作促成了聯合國工業發展組織(UNIDO)的支持，並協助制作低成本的隔震系統產品提供給地震災害頻繁的發展中國家，比如印度尼西亞、中國、智利、印度。EERC的研究計劃，在MRPRA的支持下，使天然橡膠基礎隔震系統成為當今世界抵禦大自然地震災害的最有效方式之壹。?

科學研究結果表明：高阻尼天然橡膠支座將把地震波的壹部分反彈回地面，另壹部分被吸收，從而緩沖地震波傳輸至建築物的扭力，降低地震波對建築物的直接沖擊損害，並最終保障生命和財產的安全。同時，由於高阻尼天然橡膠支座的應用，將減少傳統建築結構及墻體防震加固施工的成本，可降低建築成本達20%左右。

應用現狀

公益設施建築

`?山麓社區的法律和正義中心，坐落在美國聖安德裏亞斯斷層20公裏（12英裏）以外，作為EERC研發計劃所開發的其中壹項研究項目，是世界首座經驗證能夠承受裏氏8.3級地震的防震建築公益設施。

核電站設施建築

實踐證明，橡膠隔離技術（RSIT）基礎防震設計大大簡化了美國核電站安全設計方面的成本、建築施工時間上的消耗、合乎標準的設備、管道系統以及地震的負荷量施工等。再者，抗震設計的標準會隨著附近斷層的發現而提高。比方說，某核能發電廠不需要從新設計，而只需提升該建築設施基礎隔震系統就足夠了。?

EERC在隔震支座設計時，制作以及測試只針對兩項核能液態金屬反應爐來建設，EERC設計、制作並測試了兩種隔震支座：第壹種名為PRISM，利用高形狀因數的隔震支座設計，只用於提供橫向隔離；第二種名為SAFR，利用低形狀因數的隔震支座設計，此設計能同時提供該反應爐橫向以及垂直的隔離。此測試研究成果也同時顯示，不同的形狀因數能提供不同的隔離特點，從而使到該研究所更加明白此材料技術的特點。

醫院設施建築

目前基礎隔震在醫院的需求非常高，主要是因為能加強保護醫院的設施以及病患。使用基礎隔震最主要的目的是在於設置建築物的動態特性，使其在地震時不會受到過大的震動。有幾種基礎隔震的結構供選擇：高阻尼橡膠的基礎隔震，摩擦搖擺裝置和低阻尼橡膠與額外的阻尼裝置等等。選擇適當的系統依賴於系統的適用性、成本和特殊功能的需求等。在近幾年，美國，日本，意大利，新西蘭，智利和印度已經在大部分的醫院使用基礎隔震系統，已竣工近千座經改造後的防震建築設施。

日本對基礎隔震技術的積極采用

即使起步較晚，基礎隔震技術的研究和發展在日本卻迅速增長。第壹個大型基礎隔震建築完工於1986年。在日本，基礎隔震能有如此迅速的發展，其中有幾個原因。所有的建築工程開支都必須預算壹大部分作為研究基礎隔震設計，大型的建築公司都積極的往這方面的市場進攻。在日本建築壹間擁有基礎隔震的建築物所需要的批準程序十分簡單和標準。由於日本是個擁有高度地震危機的國家，所以日本人在研究此項技術應用方面擁有過人的需求，以便在長遠的未來能夠給日本公民和社會提供長治久安的保障。最近，日本宮古省的東北電力公司計算中心，在建築施工中也廣泛使用了高阻尼橡膠防震支座。

目前在世界上最大的基礎隔震建築是設在神戶縣散打的西日本郵政計算機中心。此樓高六層，占地4.7萬方米（50萬平方英尺）的建築物是由120個橡膠隔震支座支撐。這個擁有3.9秒隔震期，位於距離1995年神戶大地震震中大約30公裏（?19英裏）的建築物，經歷了嚴峻的地面位移。隔震支座承受的地面位移加速度峰值為400厘米/秒平方（?0.41克），但隔震系統將傳至六樓的加速度峰值減至127厘米/秒平方（?0.13?g?）。隔震器的估計位移約是12厘米（四點八英寸）壹座位於該中心毗鄰的固定基礎建築物經歷了壹些損害，由於該中心使用了基礎隔震而絲毫無損。基礎隔震系統的使用在日本的日益增加，尤其在神戶大地震後，更見顯著。由於西日本郵政計算機中心在於此地震的表現，使到更多建築物尤其是公寓大量的增加基礎隔震的建築申請。

建設成本

建築物橡膠隔震技術（RSIT）的應用與建設主要包括如下三部分成本：

1）建築承重與防震施工評估費用；

2）天然橡膠隔震支座定制加工與生產費用；

3）安裝與施工費用。

上述各項費用約占建築設施總體建設成本的5%。

應用總結

基礎隔震的穩定性，在經過30多年無數次的研究以及反復的測試已經高度的提升，至於其他的問題比方隔離的移位，故障以及意想不到的反應已經大大的減少。再者，制作大型隔震器的困難也已被克服，以現在的技術直徑60英寸（1.5米）的隔震器也有可能制造。位於美國Willowbrook，加利福尼亞州的M.L.?King/C.R診斷創傷中心，所制作的70個天然橡膠支座是全美國最大的隔震支座，他們所制作的隔震支座是擁有直徑1米40英寸的。同時也證實了使用低系數橡膠來制作大型的支座能夠提供更可靠的隔震系統。

其中有幾個美國建築項目的基礎隔震系統安裝更具說服力。美國奧克蘭市政廳在1989年的洛馬普列塔，加利福尼亞州的地震後，加裝了110個大型隔震器。伯克利分校建設的壹座新的公眾安全建設也使用了地震隔離支座。在馬丁路德金的文娛中心也全部加裝該防震設施，在加利福尼亞大學柏克萊分校的赫斯特紀念采礦建築也加裝了隔震器，經典的建築藝術設施在安裝隔震器的過程中，從未受任何影響，但抗震指數卻大大的提高了。

四川新聞網成都3月28日訊(記者蔣亮夏祎繁)汶川地震後四川災區重建時如何提升房屋抗震設防品質？3月28日，應中建商品混凝土公司邀請專程來蓉參加混凝土前沿技術學術報告會的日本大學專家建議說，彈性建築經日本地震的實戰考驗證明減災效果顯著，四川災區重建可多借鑒日本這方面的先進經驗。

汶川地震發生後，房屋的抗震防震能力受到了業內人士的高度關註。對此日本大學古橋剛教授指出，建築結構的抗震性可以通過抗震、制震和隔震來實現。其中抗震主要通過增強建築物的柱梁、墻壁及支撐等來抵抗地震力，制震則通過在建築物內部安裝阻尼器等設備來吸收地震能量，達到保護建築物目的，而隔震是在建築物和地面之間設置隔震器使得建築物與地震力絕緣。“事實證明，在建築物中預設隔離器可以在地震發生時有效減輕建築物受破壞的程度。”

古橋剛教授介紹說，目前日本使用最多的是疊層橡膠隔震支座、含鉛芯的疊層橡膠支座及彈性滑動支座。其中高層建築使用橡膠，能有效提高建築物的抗震性能，“日本東京有座免震結構公寓高達九十三米，建築物的外圍就使用了新研制的高強度十六積層橡膠，建築物的中央部分則使用了天然橡膠制成的積層橡膠。如果發生烈度6級地震時，這些措施可使建築物的受力減少至二分之壹。”

談到四川災區建築物重建應該註意哪些問題時，日本專家建議可以多建彈性建築。古橋剛教授稱，目前彈性建築在日本非常流行，其中光東京就建造了十多座座彈性建築，並經受住了裏氏6.6級地震的考驗，減災效果顯著。“這種彈性建築物建在隔離體上，隔離體由分層橡膠、硬鋼板組和阻尼器組成，建築結構不直接與地面接觸。其中阻尼器由螺旋鋼板組成，可有效減緩地震時的上下顛簸。”

古橋剛認為，隔震技術的使用雖然使建築成本增加，但是建築物卻能在烈度6度壹下安然無恙。“如果在地面和建築物之間設置滑板，不管地面如何晃動，建築物幾乎不會搖晃。隔震技術最適用於中層樓房，特別是疊層橡膠隔震支座的壹般隔震結構相對於質量較大的、剛度大的混凝土結構。”

同樣來自日本大學的笠井芳夫則對鋼筋混凝土結構物的劣化原因進行了分析，他指出，研究發現鋼筋混凝土結構物的劣化主要原因除鋼筋混凝土結構物中鹽害、凍害、酸性物質帶來的危害及堿骨料反應外，鋼筋混凝土結構物配合比例、混凝土施工和配筋及設計不良等原因也是造成筋混凝土結構物劣化的重要原因，“希望四川在進行災後重建時，註意到這些問題。”