我國隔震試點工程概況

我國隔震試點工程概況

一、破壞了原有的地震指導(dǎo)思想地震如此嚴(yán)重的時候，中國的地震災(zāi)害尤其嚴(yán)重。1556年陜西華縣大地震,死亡83萬人,成為世界之最而列入吉尼斯世界紀(jì)錄。1920年寧夏海源大地震,死亡20萬人,1976年7月28日的唐山大地震,死亡24.3萬人,致殘16.5萬人,倒房320余萬間,百萬人口的大城市瞬間化為一片廢墟,至今人們談及此事仍不免談虎色變,心有余悸。就連抗震研究最先進的國家日本,1995年的大阪——神戶地震,也死亡5400余人,損失達1000億美元;曾吹噓萬無一失的市內(nèi)高架公路整體坍塌,象一條死蛇。20世紀(jì)以來,全世界死于地震的人數(shù)不下200萬人,是各種自然災(zāi)害(除地震外,還有火山爆發(fā)、臺風(fēng)、水災(zāi)、泥石流等)中死亡人數(shù)最多的一種。我國因地震死亡的人數(shù)約占全世界的40%,全世界平均每年發(fā)生破壞性地震約20次,我國平均每年發(fā)生破壞性地震4～5次。地震除造成人員傷亡外,還對各種建筑物及其設(shè)施,人民財產(chǎn)和農(nóng)田造成嚴(yán)重破壞,經(jīng)濟損失以千億元計。唐山地震使98%的民房倒塌或嚴(yán)重破壞,幾乎沒有完好的或修復(fù)后還可使用的房屋,可見破壞之嚴(yán)重。唐山地震以后,我國對原建筑抗震規(guī)范先后進行了兩次修訂,制定代號TJ11—78的工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范和代號GBJ11—89的建筑抗震設(shè)計規(guī)范,提高了設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。按新規(guī)范設(shè)計的建筑物的抗震能力有所提高,在遭遇不太大的地震時,一般能確保建筑物和人身的安全,但現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的指導(dǎo)思想是“小震不壞,大震不倒”。即當(dāng)遭遇較小的地震時,建筑物不受損壞或只受輕微損壞,當(dāng)遭遇強烈地震時,則要求建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞,對建筑物內(nèi)的財產(chǎn)則無顧及,可以說它的指導(dǎo)思想是“舍財保命”。這樣的指導(dǎo)思想是與當(dāng)時國家經(jīng)濟實力及人民的生活水準(zhǔn)相適應(yīng)的。一方面,在當(dāng)時一般人民群眾家中不過是壇壇罐罐,桌椅板凳之類,很少高檔家具和家電產(chǎn)品;另一方面,職工住房都由國家包下來,若提高抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),國家負(fù)擔(dān)不起。即使拋開經(jīng)濟因素,這種以抗為主的防震思想也有它的局限性,因為建筑物抗震不減震,由于共振作用,結(jié)構(gòu)的振動往往比地面的振動還大2～3倍,而劇烈振動對某些建筑物也是不允許的,例如:核發(fā)電站:控制裂變反應(yīng)速度的控制棒的位置,如果在地震時的劇烈振動下發(fā)生了改變,則可導(dǎo)致裂變速度改變,如果裂變速度失控,核電站就會變成原子彈爆炸。此外,核電站的主體結(jié)構(gòu)也不允許有裂縫,否則造成放射線外逸,對環(huán)境造成嚴(yán)重污染;有毒氣體、易燃、易爆材料的儲存設(shè)備:可能在劇烈振動下導(dǎo)致泄漏、燃燒和爆炸,造成嚴(yán)重后果;精密機械廠房:劇烈振動使精密機械失調(diào),精度降低,產(chǎn)品質(zhì)量達不到要求;電訊系統(tǒng)、銀行、金融系統(tǒng)的機房:在劇烈振動下,系統(tǒng)受到干擾而破壞內(nèi)存中的數(shù)據(jù),造成通訊中斷、金融混亂、引起嚴(yán)重社會問題;博物館、展覽館的精品展室:有國家珍貴文物的博物館、展覽館,地震劇烈振動會使文物翻倒、破碎,造成不可彌補的損失,有些文物是無價之寶,難以用金錢衡量。即使對民用建筑來說,人們逐漸富裕以后,家中不再只是壇壇罐罐,室內(nèi)裝修、家私,家電設(shè)備的價值卻都遠超過建筑物本身的造價,花幾萬元裝修的房屋在地震作用下會使墻磚脫落、地磚起鼓、吊燈破碎、高檔家電、音響、電腦、家俱、古董也會被摔壞、砸壞或振壞,損失動輒以數(shù)十萬元計,其損失高出房屋原造價的許多倍。這就給我們提出了一個新的課題,要尋找新的對策。目前的建筑抗震設(shè)計方法,以提高結(jié)構(gòu)的強度度為主要手段。一般說來,提高結(jié)構(gòu)的強度要增大結(jié)構(gòu)的斷面,這就增加了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,而地震力是一種慣性力,要知道,慣性力的大小是與質(zhì)量成正比的,質(zhì)量增加了,地震力也相應(yīng)增加,又要再提高結(jié)構(gòu)的強度,這就形成了“怪圈”,特別是民用建筑應(yīng)用最廣泛的磚混結(jié)構(gòu)房屋更是如此。因此建筑抗震設(shè)計規(guī)范對磚混結(jié)構(gòu)樓房的高度作了限制,設(shè)防烈度為9度的地區(qū),樓房不能超過4層。我國人均耕地面積只有世界平均水平的三分之一,而對這一現(xiàn)實,這一規(guī)定是對上地的很大浪費,但若只走抗震這一條路,也是無可奈何的事。人們?yōu)榱藢で罅硗獾膶Σ?作了種種設(shè)想,主要一點就是設(shè)法減小地震對建筑的影響,下面就對此作些簡單的介紹。二、衰減技術(shù)的概論1.地震的生態(tài)修復(fù)和震源地震把地震消滅在萌芽狀態(tài),這種想法現(xiàn)在看起來象是科幻小說,實際上也不是無稽之談。美國的丹佛市附近,該地本來沒有發(fā)生過地震,自從美國軍事研究機關(guān)把受污染的水注入數(shù)千米深的深并以后,該地區(qū)就不斷發(fā)生一些不大的地震,經(jīng)過研究觀測,發(fā)現(xiàn)地震與深井注水密切相關(guān)。還有一些事例,如一些大水庫所在地,在沒建水庫的時候,該地區(qū)也未發(fā)生地震,當(dāng)水庫建成而且蓄水以后,該地區(qū)就不斷發(fā)生地震,像印度的科伊那水庫,我國廣東省新豐江水庫都出現(xiàn)過這一現(xiàn)象。科研人員把這類因人類的干予而觸發(fā)的地震叫人工誘導(dǎo)地震,這一現(xiàn)象使人們看到人類控制地震的一線希望?？茖W(xué)家們對這類現(xiàn)象是這樣解釋的:首先從地震的成因看,由于地幔軟流層物質(zhì)對流、地球自轉(zhuǎn)、天體引力等作用,地殼處于不斷的運動狀態(tài),這種運動在地殼內(nèi)生應(yīng)力,叫地應(yīng)力,并逐漸增強,當(dāng)?shù)貞?yīng)力積累到超過巖石的強度極限時,巖層就會發(fā)生突然的錯動,這時應(yīng)變能釋放出來轉(zhuǎn)化為動能,并引起地殼的振動,這種振動以波的形式傳到地球表面時就是地震。顯而易見,巖石的強度極限越大,積累的能量就越多,當(dāng)發(fā)生地震時地震的震級就越大(地震震級是衡量地震能量大小的等級,一般采用里希特提出的震級定義,叫里氏震級,如唐山地震為里氏7.8級。一般5級地震就會引起建筑物的損壞,7級地震會造成災(zāi)難性破壞)。當(dāng)向深井注水或水庫蓄水時,水會滲到巖石的縫隙中,這些水起了滑潤劑的作用,使巖石抗錯動的能力(叫剪切強度極限)降低。本來地應(yīng)力達不到使地殼錯動的程度,現(xiàn)在因滑潤劑的作用,巖層的剪切強度極限降低了,這時地應(yīng)力就能使巖層錯動,也就是引發(fā)了地震。因為能量積累的不太多.地震的震級也不太大,一般不超過5級,不致引起結(jié)構(gòu)的破壞。根據(jù)上述解釋,我們在可能發(fā)生地震的地方打一些深井,一直打到斷層處,向深井內(nèi)注水,如能加一些滑潤劑更好,使地震提前發(fā)生,把將來可能發(fā)生的大地震的能量以許多小震的形式釋放出來,這些小地震不會造成任何的破壞。震源如果比較淺,在10公里以內(nèi),目前的鉆井技術(shù)還是可能達到的。(唐山地震)震源深度為11公里)。一般震源深度在5～40公里范圍。有些地震,目前的鉆井深度是達不到的。2.彈簧—吸震吸震或稱減震,是在結(jié)構(gòu)上裝置吸震器和耗能裝置,使結(jié)構(gòu)的振動減小。根據(jù)振動理論,在結(jié)構(gòu)上裝一質(zhì)量——彈簧——阻尼體系(圖1),這個附加的體系稱吸震器或減震器。適當(dāng)選取吸震器的參數(shù),可使結(jié)構(gòu)的振動被吸振器“吸”過去,結(jié)構(gòu)本身的振動很小而吸震器的振動則很大,吸震器的這種“自我犧牲”的精神,可用于減少結(jié)構(gòu)的振動以確保結(jié)構(gòu)地震時的安全,吸震器即使振壞也不影響結(jié)構(gòu)的安全,而且易更換,這一設(shè)想已在許多橋梁上實際應(yīng)用。3.減震劑、減振墻隔震是在結(jié)構(gòu)上部與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層,阻斷地震波由地面向結(jié)構(gòu)的傳播,以減小結(jié)構(gòu)的震動。隔震層又可分為滑動摩擦隔震,滾動(又分滾珠,滾柱)支承隔震,懸吊隔震等方法。滾動支承隔震適用于框架結(jié)構(gòu),懸吊隔震適用于設(shè)備(如鍋爐)的減震,滑動摩擦隔震則特別適用于最普遍的磚混結(jié)構(gòu)房屋。隔震層有鋼板橡膠墊、聚四氟乙烯板、柔性石墨板等(見圖2中③),要求這些材料有耐腐蝕、耐氣候、耐老化、不需更換等特點。同時采用若干鋼棒阻尼器(圖2),它通過鋼棒的變形吸收地震能量,同時限制上部結(jié)構(gòu)滑動距離(一般在數(shù)厘米的范圍),還有防止豎向拔起的作用。上面提到的三種減震方案,消震目前尚未有實現(xiàn)的可能,是遠景設(shè)想;吸震方案在某些橋梁已經(jīng)應(yīng)用;隔震方案,特別是基底滑動摩擦方案特別適用于磚混結(jié)構(gòu),所用材料又較便宜,甚適合我國國情。三、基礎(chǔ)隔震層結(jié)構(gòu)與造價由四川省建筑科學(xué)研究院設(shè)計,涼山州建筑工程公司施工,在四川省西昌市為西昌供電局建造了兩幢磚混結(jié)構(gòu)住宅樓,層數(shù)為5層,建筑總面積3573m2,承重墻為24cm磚墻,現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋和屋蓋,毛石混凝土帶形基礎(chǔ),埋深1.30m,設(shè)防烈度為9度?！?.00m以上的結(jié)構(gòu)與普通磚混住宅樓完全一樣?；A(chǔ)隔震層由沿基礎(chǔ)平面的水平滑動層和均勻布置的鋼棒阻尼器組成(圖2)?；瑒幽Σ翆訕?biāo)高為一0.71m,于磚墻基礎(chǔ)找平層上敷設(shè)1mm厚石墨板,在石墨板上澆筑鋼筋混凝土圈梁,圈梁以上建筑上部結(jié)構(gòu)。阻尼器由直徑32mm鋼棒構(gòu)成,置于基礎(chǔ)和圈梁予留的空腔中,并設(shè)豎向移動間隙,整個工程設(shè)置阻尼器256個,(阻尼器布置見圖3)為了使上部結(jié)構(gòu)完全與地面隔離,首層地面為80mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土板,房心土與地板之間要留有間隙。試驗工程與普通住宅樓造價比較見下表:從上表可見,隔震工程造價與普通建筑相比,單位造價高出10.8%?？紤]到普通建筑只能建4層,隔震建筑可蓋5層,計入土地價,只高6%,如蓋6層,計入土地價則只高出4%,從經(jīng)濟上看,還是可以接受的。多花幾百元的建筑費用,確保萬貫家產(chǎn)的安全,何樂而不為呢。四、基底滑動摩擦隔震建筑的設(shè)計研究,進行地震應(yīng)急隨著人們生活水平的提高,建筑物內(nèi)資產(chǎn)的價值迅速增長,建筑防震設(shè)計思想也要從“舍財保命”向“保財保命”轉(zhuǎn)化,從現(xiàn)有的科研成果及工程實踐看,減震建筑較之單純的抗震建筑是有優(yōu)越性的,效果也是明顯的,針對我國國情,我國磚混建筑還是占絕大多數(shù)的現(xiàn)實條件下,宜重點開展基底滑動摩擦隔震建筑的研究。首先,加強基礎(chǔ)理論研究,使計算分析方法更加完善和實用;第二,在近期可能發(fā)生地震的地區(qū),多建造一些試點工程,等待地震的實際檢驗;第三,在經(jīng)過一段科學(xué)研究與工作實踐的基礎(chǔ)上,將隔震建筑設(shè)計納入規(guī)范,把現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計規(guī)范更名為建