建筑基礎消能隔震技術是目前世界地震工程界推廣應用較多的成熟高新技術之一。
地震是人類社會無法避免的一種自然現象，地震造成的人員傷亡和經濟損失90%甚至更多源于建筑物倒塌所致。因此世界各國都在致力于做好工程抗震減災工作，致力于提高建設工程的抗震設防水平，提高建設工程的抗震能力。
基礎隔震技術是目前世界地震工程界推廣應用較多的成熟高新技術之一。被美國地震專家稱之為“40年來世界地震工程最重要的成果之一，基礎隔震技術的使用使建筑在地震中不倒塌真正成為可能，使其成為減輕地震災害最有效的手段之一。”地震專家、中國工程院院士、廣州大學工程抗震研究中心主任周福霖認為，隔震、減震、消能控震都是“以柔克剛”的抗震好辦法，是未來的發展潮流，其效果遠遠好過加粗房屋柱子的傳統抗震方法。本期《科普之窗》將為您講述建筑基礎消能隔震技術知識，增強廣大市民的防震減災意識。
建筑中的隔震墊安裝
消能隔震技術
地震引起地面往復運動，使地面上原來處于靜止的建筑物受到動力作用而產生強迫振動，因而在結構中產生內力、變形和位移，造成房屋破壞、橋梁塌落以及其他眾多工程設施損毀。地震專家經過對簡化后的模型動力學分析和建筑抗震經驗設計，即一次次的震害分析進行修正、補充，得到一些建筑物在地震作用下的反應機理及破壞形式，提出了一些建筑物抗震的計算方法及設計的基本原則，即在建筑設計和施工中采用隔震或消能減震技術。隔震是將工程結構和地面分割開來，并通過一套專門的支座裝置和地面相連接，形成一個水平向柔弱層，安裝支座后結構振動基本周期被顯著延長，可以避開地震動的卓越周期，這樣就能減少地震能量的傳輸，從而降低結構的地震反應、有效地保護結構免遭地震破壞。減震又稱為消能減震，是通過增加工程結構自身的阻尼，消耗結構振動能量，減少結構的地震反應程度，有效提高結構的抗震性能。
傳統房屋采用“剛性抗震”方法通過增加截面尺寸，提高材料強度等級，以提高抗震能力。但缺點是允許房屋結構破壞，提高了工程造價，抵御不了大地震。 隔震房屋則另辟蹊徑采用“柔性抗震”方法，在建筑物基礎與地基之間用隔震層將其上下隔斷，使80%以上的地震能量不能傳遞上來，地震時地動而房不動，提高了抗震能力。隔震房屋比傳統抗震房屋的安全度可提高90%左右。強震時不僅房屋不會損壞、倒塌，功能系統也不會被損壞;人員可以不必疏散，照常工作。
隔震建筑主要采用橡膠支座隔震，橡膠隔震支座能減小地震作用，消除或有效減輕結構或非結構的損壞，從而起到隔離消減地震能量的作用。從技術角度講，建筑基礎隔震技術是在建筑上部結構與基礎(或下部)結構之間，設置可以人為改變結構體系振動特性的隔震系統，使建筑物上部結構與地基“隔開”，“隔斷”地震能量向上部結構的有效傳遞路徑。實際上是通過隔震層的水平向大變形運動消耗掉大部分地震能量，減輕上部結構所受到的慣性地震作用，有效降低地震引起的結構加速度反應、減小層間剪力及相應的剪切變形。與以往的建筑結構抗震設計，采用隔震技術的建筑物具有以下優點：①提高地震時結構的安全性;②設計自由度增大;③防止內部物品的振動移動和翻倒;④防止非結構構件的破壞;⑤抑制振動的不適感;⑥可以保證機械器具的使用功能。從經濟角度講，抗震設防烈度越高，采用隔震措施所獲得的直接經濟效益就越明顯。以采用疊層橡膠墊隔震技術為例，以達到相同的抗震能力為衡量標準，當抗震設防基本烈度為9度時，與相同規模的非隔震建筑相比，隔震后建筑物的平均土建造價最高可節省約15%一20%;8度時，最高可節省土建造價約10%;7度時，基本不節省造價，或造價略有增加約1%一5%左右;6度時，土建造價增加約10%。雖然上述比較是以達到相同的抗震能力為衡量標準，但實際上6、7度設防時，采用基礎隔震措施后，房屋的實際抗震能力已遠大于相同不隔震建筑的抗震能力，其所帶來的安全儲備大幅度提高(可提高2一10倍)。在隔震設計時，要經過計算，進行多方案比較選擇最佳方案。不經過計算而直接采取隔震措施，有時會導致隔震效率不高或者不經濟。當處理不好時，還可能產生共振，不僅無益還會加大震害。
隔震支座解剖圖
隔震原理及隔震形式
隔震技術尚屬新興學科，它能有效地吸收地震能量，減少結構的水平地震作用，從而消除或減輕結構和非結構的地震損壞，增強建筑物及內部設施和人員的地震安全性，提高建筑物的抗震能力。
從隔震結構原理的模型圖分析得知：(1)彈簧的剛度越大，振子的周期就越短;彈簧的剛度越弱，振子的周期就越長。當彈簧的剛度特別大，則建筑物就不能滾動，只有自身的往復變形運動，即建筑物的自身振動，隔震措施就沒有發揮出隔震作用;當彈簧的剛度特別小時，建筑物就不能往復運動，即不能成為振子;(2)當滾珠的摩擦力特別小時，建筑物的往復運動就不會停止;當滾珠的摩擦力特別大時，建筑物就會立刻停止。因此，建筑物的運動特性取決于自振周期和阻尼兩個因素，而自振周期又取決于建筑物的質量和彈簧的剛度。可知，對建筑物采取的隔震措施，其效果取決于隔震器和阻尼器的特性。
根據隔震形式的不同，建筑隔震技術分為基礎隔震和懸掛隔震?；A隔震就是在建筑物或構筑物的基底設置隔震裝置。基礎隔震概念最早是由日本學者河合浩藏于1881年提出的。主要有以下幾種方式：①橡膠支座。它是由多層橡膠和鋼板相互疊加而成，在施加豎向荷載時，由于橡膠受到鋼板的約束，不會產生很大的橫向變形，即具有很強的抗壓能力;水平方向有很大的變形能力，在地震作用下，橡膠墊可以隔離水平方向的運動分量。最初是在1965年用于倫敦的地鐵車站上面的建筑，采用多層橡膠支座防止了地鐵的振動傳給上部建筑物。②鉛心橡膠墊。它是對橡膠支座的一大改進。在橡膠支座中心鉆孔，插入一個鉛芯，利用其塑性變形能力把支座的臨界阻尼從3%增加到10%～15%。因此，在低阻尼要求的情況下，可以不使用阻尼器。③柔性樁結構。它是采用立在套管中的樁來隔震，樁頂鉸接，使樁在水平方向有一定的柔性，套管和樁之間有一定的間隙，使樁可以在套管中變位，將結構與可能發生有害地震的土層分開。當樁頂安置阻尼器時，可構成有效的隔震基礎系統。
也可采用阻尼器的方式：①油阻尼器。它是比較理想的阻尼材料。根據流體動力學理論可以設計各種形式的油阻尼器。所采用的油材料很多，通常油硅油、機械油、柴油機油、變壓器油等。在設置時，一般不少于四個，對稱布置在基礎的四角，避免在體系質心的坐標軸線上布置阻尼器。②摩擦阻尼器。將幾塊鋼板用高強螺栓連在一起，可做成摩擦阻尼器。通過調節高強螺栓的預應力，就可調節鋼板間摩擦力的大小。通過對鋼板表面進行處理或加墊特殊摩擦材料，可以改善阻尼器的往復摩擦性能。③彈塑性阻尼器。低碳鋼具有良好的塑性變形性能，可在超過屈服應變幾十倍的塑性應變上下往復變形數百次而不斷裂。根據需要，可以將鋼板(棒)彎成各種形狀做成阻尼器。
消能隔震技術還有一種形式就是懸掛隔震，懸掛隔震即將結構的全部或大部分質量懸掛起來，使地震動傳遞不到主體質量上，產生較小的慣性力，從而起到隔震作用。懸掛結構在橋梁、火電廠鍋爐架等方面有大量應用。懸掛結構懸桿受力較大，須采用高強鋼，而高強鋼忍性差，在豎向地震作用時易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點設減震彈簧，并配合使用阻尼器。著名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結構。
消能隔震技術的發展與現狀
目前，較為成熟的建筑隔震技術包括：疊層橡膠支座隔震、摩擦擺隔震、滾軸支座隔震、滑移隔震、混凝土短柱支座隔震等，其中疊層橡膠支座隔震技術的應用最為普遍。
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、建筑，甚至是核設施上：1977年法國第一次將橡膠隔震技術應用于原子能反應堆中;1984年新西蘭建造了第一幢疊層橡膠支座的四層建筑物;1985年美國建成第一座四層的疊層橡膠支座隔震大樓——加州·圣丁司法事務中心;1986年日本建成一幢五層高技術中心樓，采用鉛芯橡膠隔震支座。截止目前，世界上大約已建成了4000多幢橡膠隔震建筑。
上世紀80年代以來，基礎隔震技術研究開始在中國得到重視，國內不少學者對國際上流行的基礎隔震體系進行了研究，取得了很大的進展。截至目前，我國采用疊層橡膠隔震支座建設的各類房屋建筑面積已達幾百萬平方米以上，遍布大江南北十幾個省市自治區。不過，雖然我國的隔震減震技術研究已處于世界先進行列，但其推廣應用并不理想。自1989年開始應用至今，我國只有3000多棟房屋、100多座橋梁使用了該技術。周福霖院士認為，造成上述現象的主要原因在于：一是設計人員抗震設防思維落后，錯將設防烈度當做安全的準確指標;二是政府管理部門意識落后;三是開發商為追求經濟利益，降低設防標準;四是施工人員沒有完全了解并掌握隔震減震技術。周福霖說：“但不管怎樣，隔震減震技術仍是我國工程技術的發展方向之一，未來應從單純采用傳統抗震技術過渡到同時采用抗震、隔震、減震技術的新時代。”他的理想是讓地震中的建筑物能像停泊在水里的船一樣，飄動幾下又歸于平靜;讓地震像一場暴風雨一樣，平凡而不可怕。
實際結構地震反應記錄和試驗研究表明，建筑物采取有效的隔震措施后，可以有效地保護上部結構免遭破壞，同時室內裝修及設備也可得到有效保護，即使在強震作用下也可保持建筑功能完好。在類似于汶川大地震這樣千年難遇的意外事件發生時，不但會保護生命財產的安全，更重要的是地震將不再是毀滅性的災難，不再會
對社會造成巨大的恐慌。
適用范圍與應用實例
一般來說，隔震結構可以適合各種用途的建筑，并都能獲得較好的隔震效果。出于結構的安全性、房屋內部物品的振動翻到、防止構件二次損壞等因素，更適合用隔震措施的建筑物有：住宅(居民住宅、養老院、療養院)、公共建筑(劇院、醫院、旅館)、防災中心建筑(學校、消防局)、核電設施(核電站、倉庫)、尖端產業設施(研究所、超精密加工廠)、紀念性建筑物(紀念建筑、寺廟)等等。
實例①：1995年云南武定6.5級地震，地震發生時，大理震感強烈，而橡膠墊隔震建筑——大理州交通指揮中心大樓中的大多數人沒有感覺，不知道地震發生。
實例②：1996年，云南麗江發生7級強烈地震。西昌市國稅局宿舍樓為六層隔震樓。在樓上居住的職工，只是感到輕微的晃動，而相鄰的一幢常規抗震樓只有四層高，樓上居住的人搖晃十分厲害，驚慌失措往外逃跑。
實例③：蘆山縣人民醫院系汶川地震后澳門同胞捐款修建的，為6層鋼筋混凝土框架結構，在基底采用疊層橡膠支座，上部結構按照Ⅶ度設防。2013年4月20日蘆山M7.0地震后，該醫院處于Ⅸ度區，周邊相鄰非隔震建筑破壞嚴重，但人民醫院不但結構、裝修完好，連窗戶玻璃和樓頂招牌都完好無缺，各樓層醫療設施也完好無損。震后為傷員救治發揮了重要作用，因而被網友稱為“樓堅強”。其秘密就在于支座的彈簧緩沖效應。
實例④： 全球最大的減隔震單體建筑——昆明新機場航站樓的實現，開發了大尺寸高荷載支座、低硬度隔震支座、高阻尼隔震支座以及低摩擦系數的滑移支座。在橡膠配方、生產工藝方面實現了自助創新，克服間隔震支座產品性能和質量穩定性差的難題，抗震性能達到了發達國家水平。昆明新機場航站樓隔震技術所實現的科技創新，取得了多項專利，有關經驗豐富和完善了我國隔震技術的國家標準和有關行業規范，推動了隔震技術的進步。
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建筑基礎隔震技術發展應用史
早在二十世紀60年代中后期，新西蘭、日本、美國等國家就已經對建筑基礎隔震技術開展了系統的理論和試驗研究，并取得了較好的成果。
上世紀70年代初，新西蘭率先開發出鉛芯疊層橡膠支座，1974年世界首棟隔震建筑在新西蘭建成。90年代，全世界共有30多個國家和地區圍繞這一問題展開了更加廣泛深入的研究和應用。1994年洛杉磯地震和1995年日本阪神地震后隔震技術得到迅速發展，并相繼寫入各國抗震規范，美國、日本開始大量采用隔震建筑。
我國于上世紀60年代開始建筑基礎隔震理論及應用技術的探索研究，80年代后期獲得重視，90年代以后取得長足進步并在許多重要工程中獲得應用。2001年建筑基礎隔震減震技術寫入我國《建筑抗震設計規范》，更標志著隔震技術在我國的成熟發展。
