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作者： 记者 唐琳综合报道 来源： 发布时间：2016-9-14 15:20:50
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1976年7月28日凌晨，一场天灾突袭河北唐山，在夺去24万多鲜活生命的同时，残忍地将这个拥有百万人口的工业重镇瞬间夷为废墟。
这场天灾正是人们今天依旧心存敬畏的“唐山大地震”。
此后的十年，唐山人专注于一件事——重建。十年的重建，重塑了一座城市，也修筑了心灵的城墙。
古今中外，每一次巨大的自然灾难都是以更大的历史进步作为补偿的。唐山大地震使唐山人民付出了惨痛的代价，但却给全人类带来宝贵的精神财富。
40年间，全世界的科学家们先后来到这里，开展大量的科学研究，加深了对地球的认识，取得了一系列的研究成果，在防御地震灾难研究上迈出了一大步；在唐山抗震实践中，中国诞生了地震社会学，为解决全球面临的日益严峻的灾害问题奠定了理论基础，提供了成功的防灾减灾范例。
更为重要的是，唐山大地震成为了中国防震减灾事业发展的里程碑。在此之后，国家出台《建筑抗震设计规范》，建筑的抗震能力开始得到越来越高的重视，各项防震减灾技术应用得到了迅速的发展，并由此催生了世界隔震技术发展的第三个里程碑——隔震技术在中国的长足发展。
于灾难中涅槃
隔震技术由来已久，从有文字记载的朴素的隔震概念，到现代意义的隔震装置的工业化生产和隔震建筑的大量建造,走过了百年历程。
公认的最早提出基础隔震概念的学者当属日本的河合浩藏。1881年，河合浩藏在《地震时不受大震动的结构》一文中，针对放有天平等对振动敏感的设备的建筑，提出了“要盖一种在地震时也不震动的房屋”。
他的做法是先在地基上交错卧放几层圆木，然后在圆木上作混凝土基础,再在混凝土基础上盖房，以削弱地震力向建筑物的传递。虽然如今看来这种方法实在简陋，但却是人类对于隔震思想的最初思考与尝试，可谓意义重大。
地震是一场灾难，但灾难却孕育了希望。人们对于隔震的许多想法的萌生，都是来自于对于灾难的总结。
1906年，美国旧金山发生大地震。在这次灾难的间接推动下，3年后，居住在美国的英国籍医生J. A. Calantarients首次提出，在基础与建筑物间铺设滑石或云母作为隔震层的构思。
1921年，帝国饭店在东京建成，这也被认为是最早的隔震建筑。设计师将密集的短桩插到软泥土层底部，再利用软泥土层作为“防止灾难性冲击的隔震垫”。
很快，帝国饭店便迎来了它的第一次“实战”。1923年，日本发生关东大地震，在其它建筑物普遍被严重破坏的情况下，帝国饭店经受住了考验，保存完好。也得益于这次地震，日本隔震理论与技术开始进入大发展时期。
20 世纪60年代以来，新西兰、日本、美国等多地震的国家开始逐渐加大对隔震系统的研发投入，现代隔震技术日趋完善，并进入实用化技术发展阶段。
1969年前南斯拉夫震灾之后，重建时的斯考比市在贝斯特洛奇小学工程中首次使用了隔震橡胶支承。虽然如今看来其变形过大，且效果甚微，但它却是当之无愧的现代最早的隔震建筑。
上世纪70年代起，铅芯橡胶支座诞生。它的出现，大大推动了隔震技术的实用化进程。
1981年，新西兰落成的William Clayton政府办公大楼被誉为是世界上首座采用铅芯橡胶垫的隔震建筑；紧随其后，美国加利福尼亚州圣丁司法事务中心建成，成为世界上第一座采用高阻尼橡胶隔震支座的建筑。
随着以性能可靠的橡胶隔震支座为代表的隔震元件的诞生，隔震技术越来越多地应用在建筑物和桥梁上。截至上世纪70年代中期，美国、日本、新西兰、法国、意大利等国采用橡胶支座的隔震建筑和桥梁数量达到400栋，隔震技术由研究阶段逐渐进入了推广应用阶段。
在1994年洛杉矶北岭地震和1995年阪神地震中，采用橡胶支座的隔震建筑表现出了令人惊叹的隔震效果。于是，国际上开始兴起一股隔震应用热。
同时，各国也相继推出自己的更加详尽和严格的隔震建筑设计规范和隔震支座的质量和验收标准，以保证其在大规模应用时的可靠性。隔震元件，特别是橡胶支座的生产，开始向工业化方向发展。
隔震研究在中国
与其他国家相比，我国对于隔震理论和技术的研究起步相对晚一些，直到唐山大地震发生后，隔震研究才开始在国内得到重视。
鉴于当时我国的经济尚不发达，低造价的砌体结构在整个建筑行业占优势地位，因而，国内的研究重点主要集中在以砖混结构为主要应用对象的、价格较低的摩擦滑移隔震结构，并且在摩擦材料选择、分析方法探讨、参数优化、模型试验研究和试点工程方面取得了一系列成果。
从上世纪80年代后期开始，以周锡元院士、周福霖院士为代表的我国学者开始转移目光，从关注摩擦隔震结构过渡到关注橡胶支座隔震技术。
上世纪90年代以来，国家自然科学188体育app:员会、建设部等先后立项，中国建筑科学研究院、华中理工大学、华南建设学院西院（现属广州大学）等单位先后承接科技攻关课题。正是得益于这些国家级科研项目的推动，隔震技术得到了进一步的发展。
上世纪90年代初期，周锡元、哈尔滨建筑大学刘季等联合承担了国家“八五”重大攻关课题“砌体结构隔震减震方法及其工程应用”, 开展了从理论到应用的系统研究，并进行了橡胶支座动力响应试验和实际工程的动力测试。该课题于1995年底通过鉴定和验收，并被列为建设部重点推广项目。
1993年，周福霖利用申请到的联合国工业发展组织专款，在广东汕头市建成我国第一栋橡胶支座的8层隔震住宅，这也是当年世界最高的隔震住宅楼。在次年台湾海峡6.4级地震的影响中，这座隔震楼在橡胶隔震层上缓慢摇摆，房屋结构在地震中保持弹性，没有受到任何损坏。而附近的普通抗震房屋则激烈晃动。
为此，联合国工发组织在汕头召开国际会议，向世界各国推广了这种技术，并称之为“世界隔震技术发展的第三个里程碑”。
随着性价比高的国产橡胶支座的批量生产和应用推广，与橡胶支座相关的规范、产品标准相继纳入编制计划，橡胶支座隔震技术的研究和应用得到了进一步推广，以至其成为当前我国建筑用隔震支座推广应用的主流。
而与隔震技术同步发展的，是我国对于隔震产品规范和标准的不断完善。
2001年，我国出台了《建筑抗震设计规范》，首次将隔震建筑设计纳入抗震规范，为隔震建筑的发展奠定了基础；紧随其后，中国工程建设标准化协会颁布了《叠层橡胶支座隔震技术规程》，为在新建和加固改造的工程结构中合理应用隔震技术制定了协会标准。
2010年，在对汶川地震震害经验进行总结之后，修订版的《建筑抗震设计规范》发布。新版本的《规范》对灾区设防烈度进行了调整，进一步推动了各种隔震技术的发展与应用。
神奇的支座
那么，建筑物究竟是如何抵抗地震的？
其实，地震是由于地面的运动，使地面上原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强迫振动，因而在结构中产生破坏性的内力和变形。
隔震即是隔离地震，是指在建筑物和构筑物的基底或某个位置设置弹性元件和阻尼元件来隔离或耗散地震能量，以避免或减少地震能量向上部结构的传输，使结构振动反应减轻，实现地震时建筑物只发生较轻微的运动和变形，从而保障建筑物的安全。
在我国，建筑用隔震支座是隔震方法中最常见，而且应用最为广泛的。隔震支座大体上可以分为两类，橡胶隔震支座和滑动隔震支座。其中，国内大量使用的是橡胶隔震支座。
橡胶隔震支座是由薄钢板和薄橡胶板交替叠合，经高温、高压硫化而成。其既能保证竖向刚度和承载力，又可大幅度减小水平刚度，因而使建筑物具有隔震性能。
由于隔震层的“隔震”和“吸震”作用，地震时上部结构作近似平动，结构反应力仅相当于不隔震情况下的1/4~1/8，从而“隔离”了地震。通俗地说，使用隔震技术的房屋经历8级地震的震动仅相当于5.5级地震的震动，不仅达到了减轻地震对上部结构造成损坏的目的，而且建筑装修及室内设备也可以得到有效的保护。
滑动隔震是在隔震层中设置滑动材料，使基础向上部结构只能传递有限的地震作用，达到保护上部结构的效果。国内外研究人员开展了大量的工作，开发出各种各样的滑动隔震支座。其中比较成熟的当属滑板式和摩擦摆式。
滑板式隔震支座的滑移摩擦面一般采用聚四氟乙烯与不锈钢板接触面、不锈钢板与不锈钢板接触面。但是，由于滑板式隔震支座属于纯摩擦滑移隔震系统，不能自动复位，一般需另外加设复位装置，因而阻碍了滑移隔震的发展。
为了解决平面滑移系统不能自动复位的问题，1985年，美国加州大学伯克利分校研发了摩擦摆隔震装置，称之为摩擦摆支座（FPS）。FPS除了具有平面滑移隔震装置对地震激励频率范围的低敏感性和高稳定性外，其特有的圆弧滑动面使其具有自复位功能，无需附设阻尼向心机构，使其在实际应用中更为简便。因此，FPS很快就得到了大范围的应用。
计划2018年竣工的重庆来福士广场由世界知名建筑师Moshe Safdie设计，8座塔楼临水北向，最高的两座约360米，其他6座高约250米，建成后将与朝天门广场连为一体，成为重庆的新地标。
长达300米的水晶廊桥将4栋塔楼彼此连接，这是广场设计中的一个亮点，但也是非常复杂和困难的结构设计问题。为了廊桥的防风减震，设计师们选择了摩擦摆支座。
隔震减灾工程中，不同的隔震技术之间还可以相互补充、相互配合，携手守护建筑的安全使用。橡胶支座和摩擦滑动支座组合已成功应用于日本一些高层建筑和上海国际赛车场（F1赛车场），具有良好的隔震效果和变形复位能力。
目前在我国，已经有5000多栋房屋和350座桥梁上采用了隔减震技术，应用最多的还是橡胶隔震支座。
2012年6月通航的昆明长水国际机场可谓是利用橡胶隔震支座的典型工程，其也被誉为是世界上最大的大型复杂结构单体隔震建筑之一。由于机场位于昆明的东北部，跨越多个地貌单元，地形起伏不平，多条断层从场区穿过，属于高地震烈度区，因此对航站楼主体结构采用基础隔震十分必要。为此，设计人员在整个隔震层共计采用了1800余个直径为1000mm的叠层橡胶支座。
计算与振动台试验表明，航站楼各层剪力比最大值均小于0.35，即水平向减震系数为0.5，隔震效果可以满足降低1度的要求。
2013年4月20日，采用橡胶隔震支座的芦山县人民医院安然度过了芦山地震。经过隔震的门诊楼从天花板、仪器设备到人员都完好无损，成为震后全县的急救中心；而没进行隔震的住院楼则房体开裂，无法继续使用。
经受住芦山地震考验的另一座隔震建筑是汶川第二小学。2008年汶川地震后，新建的汶川第一小学没进行隔震设计，第二小学则做了隔震防护。安装在两个小学内的监测设备显示，两所学校的地震中房屋水平加速度反应大概相差6倍。
从隔震技术应用于建筑工程的实际效果来看，对于8度及其以上抗震设防区的高于6层的建筑应用隔震技术后，设防烈度可降低2度，从而可以节约投资成本，10000平方米左右的9层建筑仅钢筋部分就可以节约100多万元的投资；同样按规范设计的建筑，应用隔震技术的房屋设防级别高，安全性明显提高。
因此，对于政府首脑机关、高层商品房住宅、生命线工程、容易产生次生灾害的重要建设工程，应用隔震技术可以提高建筑安全性，意义十分重大。
三维弹性隔震技术
无论是橡胶隔震支座、滑动支座还是摩擦摆支座，都属于二维弹性隔震技术。二维弹性隔震技术虽然对水平方向的地震力具有很好的隔震效果，但对于垂向的地震力却没有隔震作用。
对汶川这样的大地震，特别是在震中地区，其地表不但水平震动很大，而且垂直震动也非常剧烈。相当一部分建筑是由于垂直震动力的作用而遭到破坏的，其表现形式为建筑底层在短时间内被压溃，压溃层建筑物内的人员几乎没有逃生机会。
因此，对于强震的震中地区，橡胶支座并不能为建筑物提供有效的全方位防护。这时就需要用到三维弹性隔震器。
三维弹性隔震技术就是将需要防震保护的建筑结构通过三维弹性隔震器支承在基础上。三维弹性隔震技术起源于三维隔振技术，最早用于建筑的固体传声隔振（如地铁上方的建筑），其所支撑的单个建筑的最大质量可达6万吨，目前已在全球有近百个应用案例。后来，三维隔振技术还应用于煤矿采空区建筑地基不均匀沉降的防治。自1992年起，这一技术开始实际应用于建筑物的隔震。
三维弹性隔震的基本思想是将建筑结构与基础通过隔震器和三维粘滞阻尼器相连。其核心部件是带有粘滞阻尼器的防震专用隔震器，隔震器的承载元件选用螺旋钢弹簧，这种弹簧承载能力高，变形曲线线性度好，三向刚度可按需设计，同时具有三维弹性支承，并且其动态刚度等于静态刚度，使用寿命长（30~50年以上），且基本无需维修。
与橡胶隔震支座相比，三维弹性隔震器具有显著的特点：它不但能在水平方向隔震，而且也能在垂直方向隔震，也就是在所有方向都具有隔震作用。只要建筑物按照抗震设计规范正规设计并建设，三维弹性隔震建筑在大震之时可以完全保障建筑物内人员的生命安全，有余震警告时人员也不需要从建筑物内撤离。
三维弹性隔震技术除了能在地震时保护建筑物免遭破坏之外，平时对环境振动也有较好的隔振作用。这种技术可用于在具有较高地震设防要求的地铁上盖物业，既可以隔振，也可以隔震。其也可以用于地震高发、垂向地震分量较大地区的医院防震，保证医院在地震后不丧失其主要功能，对受伤灾民提供及时救护。
三维弹性隔震技术也可用于其它重点防护的建筑，如学校、电力枢纽、通信枢纽、灾后指挥中心等重要建筑物的隔震。
阿根廷的一座大学生宿舍就采用了三维弹性隔震基础。为了给以后的隔震研究提供充足的现场测试数据，工程人员分别在两栋结构相同的弹性支撑和固定支撑的学生宿舍内加装了震动测量系统。2006年8月，阿根廷发生里氏5.7级地震，后经测试数据分析，隔震结构（弹性支撑）的顶层地震加速度仅为非隔震结构（固定支撑）的20%。
2011年，日本福岛核泄漏事故发生之后，引发了全球范围内的核电恐慌，全球核电组织对核电站尤其是核岛防震提出了更高的要求，周福霖等专家也提出了加强核岛及其核电站指挥中心隔震研究的建议。
隔而固公司尹学军团队随即提出了核电站整体三维浮置隔震的方案，并开展了一系列研究。目前，尹学军团队已经将三维隔震系统成功应用于我国多个核电站应急柴油发电机组的防震，以及喀什、唐山等电厂汽轮发电机组的隔震，积存了丰富的技术储备，单只承载力达300吨的三维弹簧隔震支座也即将研制完成。
初步研究表明，核岛采用整体隔震后，地震的影响可降低50%~70%，相当于降低地震烈度1度到1.5度，核岛内重要设备的抗震性能可以大幅提高，可大幅拓宽我国内陆核电选址的范围。如果这项技术能够成功应用，对于在全球范围内推动该领域的技术革新将具有里程碑式的意义。
2015年5月15日，国家强制性标准GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会批准发布，并于2016年6月1日实施。这是我国防震减灾事业进程中的又一重要里程碑，必将推动我国防震减灾工作向更广、更深的领域推进，防震减灾技术将迎来又一个春天。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年7月刊 领域优势)
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