村鎮(zhèn)建筑隔震技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述

尹 金 宋曉勝

(華北理工大學，河北 唐山 063210)

1 概述

盡管近幾年我國的城鎮(zhèn)化發(fā)展速度很快，然而我國仍有94%的農(nóng)村地區(qū)和數(shù)量可觀的農(nóng)村人口，數(shù)量眾多的農(nóng)村建筑的抗震減震問題仍是并且長期是我國需要解決的問題。除此之外，我國是一個地震易發(fā)國，全國80%的地區(qū)處于地震強度6級以上，且這些地區(qū)大多分布在村鎮(zhèn)。比起城市，村鎮(zhèn)建筑的抗震能力普遍較差，除上述原因外，還與村鎮(zhèn)人口的防災減災意識以及房屋的抗震性能有關(guān)，故而在地震發(fā)生時，地震對于村鎮(zhèn)建筑的破壞尤為嚴重，且造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡都十分巨大。從2008年發(fā)生在四川省汶川地區(qū)的大地震到2020年發(fā)生在云南省巧家地區(qū)的地震就能看出：地震對于村鎮(zhèn)地區(qū)建筑物的破壞力十分巨大，并且，會帶來更多的經(jīng)濟損失和人員傷亡，給村鎮(zhèn)人口帶來毀滅性打擊，因此，對于村鎮(zhèn)建筑物的抗震減震技術(shù)的研究十分必要。

為了盡快解決農(nóng)村民房設(shè)防差的問題，早在21世紀初，就有多位專業(yè)人員向上級提出在我國實施“地震安全農(nóng)居工程”的建議。在2019年年底，國家相關(guān)部門公布了《關(guān)于做好農(nóng)房抗震改造試點的補充通知》，鼓勵農(nóng)民住房抗震重建，各地政府要發(fā)揮組織協(xié)調(diào)作用，對那些自身建設(shè)有困難，但有統(tǒng)一建設(shè)意愿的農(nóng)民，要放松要求，支持他們選派合格的施工隊伍統(tǒng)一施工。此外，還要求迅速開展2019年地震災后重建試點，到2020年年底完成全部工程。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震主要是保證結(jié)構(gòu)自身具有一定的強度、剛度和延性，以滿足一定的抗震要求，為了增強建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，目前出現(xiàn)了許多新的抗震新技術(shù)，如：隔震技術(shù)、耗能減震技術(shù)、吸振減震技術(shù)等。隔震技術(shù)是指在建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震支座和減震裝置，從而改變建筑物與基礎(chǔ)的固結(jié)形式，形成隔震層，正是由于隔震層的隔震、減震作用，使得發(fā)生地震時，上部結(jié)構(gòu)近似平動，最終獲得合適的減震效果[1]。目前，對農(nóng)村建筑隔震技術(shù)的研究相對缺乏，技術(shù)還不成熟。本文將對村鎮(zhèn)建筑隔震技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行綜述，并在總結(jié)的基礎(chǔ)上提出筆者的看法和建議，為今后農(nóng)村民居地震安全工程的實施提供理論上的參考。

2 村鎮(zhèn)建筑隔震

隔震技術(shù)的核心是建筑物基礎(chǔ)與地基之間的材料選取即隔震層材料的選取，不同的學者選取不同的材料作為隔震層材料進行實驗研究，得出不同材料作為隔震層的效果，并對其優(yōu)越性和不足進行了總結(jié)。本文將從四個方面對不同學者的隔震研究進行描述和分析。

2.1 砂墊層隔震

砂墊層隔震是在建筑物基礎(chǔ)和地基之間放置一定厚度的砂粒墊層，其粒徑、厚度、密實度和含水率不一。在我國，砂石這種材料自然界分布廣泛、壓實性能好、承載力和抗剪強度均比較高，而且價格低廉，因此將砂墊層應用在我國村鎮(zhèn)在建或已建房屋的隔震中是十分有必要的。趙少偉等[2]通過對不同粒徑不同厚度的砂墊層做振動臺試驗，對比試驗結(jié)果分析得到厚度不同的砂墊層，有著不同的減震效果，且砂墊層越厚，減震效果越好。竇遠明等[3]在砂墊層隔震性能的試驗研究中發(fā)現(xiàn)，當輸入EI-Centro時，砂墊層厚度增加，減震效果增強，但當輸入其他波時，厚度變化對減震效果影響不大；隨著砂墊層密實度(即砂墊層剛度)的減少，減震效果增強。王海剛[4]在村鎮(zhèn)建筑砂墊層摩擦滑移隔震性能試驗研究中發(fā)現(xiàn)，在不同加速度峰值的三種地震波(EI-Centro波、Taft波和正弦波)作用下，在不同工況作用下，砂墊層能起到一定的隔震減震效果，最大減震率可達67.20%。

砂墊層隔震技術(shù)的局限性在于，砂粒與基礎(chǔ)面的基礎(chǔ)方式為點接觸，經(jīng)過多次運動后，砂粒容易發(fā)生碎裂，從而增大了接觸面的摩擦系數(shù)，造成隔震效果不理想。今后，在其設(shè)計方面應加以突破，并且還應詳細其設(shè)計及施工規(guī)范的制定，使其更加科學化。

2.2 石墨層隔震

石墨材料成本低，與砂粒材料相比，耐久性能更好，它的動、靜摩擦系數(shù)在0.15～0.23之間，此外，相鄰表面的材料、厚度和干、濕程度對其摩擦性能影響不大，適合作為隔震層的滑移材料。樓永林等[5]在多層磚房底部滑移減震研究中發(fā)現(xiàn)，石墨與礫砂、豆粒和石臘相比，是一種更為理想的摩擦滑移材料，且符合摩擦滑移隔震技術(shù)對隔震層材料的要求。谷偉等[6]在雙向地震耦合作用對基礎(chǔ)摩擦隔震結(jié)構(gòu)的影響研究中，通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，水平地震作用不僅對基礎(chǔ)摩擦隔震體系有一定的影響，而且豎向地震作用也不容忽視。為了發(fā)展村鎮(zhèn)地區(qū)低層砌體房屋的低成本隔震技術(shù)，曹萬林等[7]改進石墨隔震層的材料，提出了一種玻璃珠—石墨基礎(chǔ)滑移隔震系統(tǒng)，通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，該滑移隔震系統(tǒng)具有良好的性能，可以顯著降低對上部砌體結(jié)構(gòu)的地震影響。王光潔等[8]提出一種新型隔震體系，由石墨滑移層和簡易隔震橡膠組成。并以海南省某典型的磚混結(jié)構(gòu)為例進行了實例分析，還進行了1∶4振動臺試驗和理論分析。結(jié)果表明，隔振系統(tǒng)具有良好的減震效果。特別是在罕遇地震中，減震效果非常明顯。頂層加速度比臺面降低近40%，具有良好的能耗能力。

石墨層隔震雖有較小的摩擦系數(shù)，但其局限性是沒有恢復力，當發(fā)生地震作用時，隔震層位移因無法控制，會發(fā)生過大的位移，如何使用阻尼器或其他限位裝置來約束它的過大位移，是我們必須要面對的問題。另外，石墨層也應有保護措施，避免長時間的風吹日曬對其造成的損耗，從而影響其隔震性能。

2.3 瀝青層隔震

瀝青是土木工程中非常重要的材料之一，被廣泛的應用于房屋建筑、路橋、水利工程以及其他防水防潮工程中。瀝青也是很好的一種減隔震材料。錢國楨等[9]提出一種新型的瀝青阻尼隔震墊(BS墊)，將其應用在一幢磚混住宅建筑中，進行了振動臺試驗，并與一幢相鄰的同種建筑作對比，對該隔震墊也進行了相關(guān)物理特性、耐久性和隔震機理的研究，結(jié)果表明，采用BS墊的隔震建筑的自振周期要比未采用此墊的自振周期明顯延長,且上部結(jié)構(gòu)的峰值加速度得到了明顯衰減，從而起到了減震的效果。尚守平等[10]在瀝青隔震層中設(shè)置豎向鋼筋對瀝青墊層的構(gòu)造進行改進。對新型隔震層進行了足尺模型擬動力試驗和振動臺試驗，結(jié)果表明：在不同地震波的作用下，上部結(jié)構(gòu)的加速度響應可以得到明顯衰減，具有良好的減震效果。

瀝青材料相比較于砂粒和石墨，因其有良好的彈性和阻尼性能，能更廣泛的應用于村鎮(zhèn)建筑隔震技術(shù)中，但其局限性在于它的抗老化能力，添加何種材料，何種配合比以及隔震層的合理的設(shè)計方法均是之后需要關(guān)注的。

2.4 其他隔震

目前，疊層橡膠隔震技術(shù)和摩擦擺隔震技術(shù)以其良好的耗能能力和自復位能力主要應用在一些重大工程中，但對于村鎮(zhèn)建筑此類隔震技術(shù)的研究較少，改善此類隔震技術(shù)的構(gòu)造措施與施工工藝，降低成本，讓其在我國村鎮(zhèn)建筑上推廣和應用也能成為可行。譚平等[11]提出一種新型工程塑料板橡膠隔震支座，該支座改變普通橡膠支座中的鋼板的應用，采用不飽和聚酯纖維加強復合材料板替代，因其具有重量輕、成本低、運輸和施工方便等優(yōu)點，適用于農(nóng)村低層建筑。并對該支座進行了相關(guān)力學性能試驗。李曉東等[12]設(shè)計了一種玄武巖纖維混凝土摩擦擺隔震支座。并對其進行擬靜力試驗，研究了該新型支座在相同的豎向荷載作用，兩種摩擦在不同頻率下的滯回性能，得到了新型支座的基本力學性能，通過利用SAP2000有限元分析軟件對采用該新型支座隔震結(jié)構(gòu)的動力時程進行了分析，比較了新型支座與傳統(tǒng)鋼摩擦擺支座的滯回性能、施工方式和經(jīng)濟性。從而發(fā)現(xiàn)該新型隔震支座的滯回性能要低于傳統(tǒng)的摩擦擺支座，隔震效果較好，顯著且易成型，造價低廉，便于施工。

其他隔震因其良好的耗能能力和自復位能力之后會越來越多地應用到村鎮(zhèn)建筑當中，成本低、性能優(yōu)良的材料將是之后研究的重點。

3 結(jié)語

隨著人們認識的加深和社會的發(fā)展，村鎮(zhèn)建筑隔震技術(shù)已取得了一定的成果。農(nóng)村民居的抗震發(fā)展對我國的整體抗震發(fā)展至關(guān)重要，加強我國村鎮(zhèn)建筑隔震技術(shù)的使用是今后發(fā)展的必然趨勢。除了考慮造價因素，有些問題仍需要深入探索：

1)性能優(yōu)良的低摩擦材料的研發(fā)。

2)改善大震之后建筑物滑移位移量大的復位問題，并考慮阻尼器的使用。

3)完善相關(guān)隔震技術(shù)的理論分析方法與試驗研究，提高分析結(jié)果的準確性。

4)新型基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應用。