CN1227418C - 带有抗地震板的地基结构系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将建筑物的地基及其余部分与地震隔离开的措施。抗地震板(2)是一个密闭的容器，其被分隔成两个部分。在部分“B”中形成真空，从而可消除经固体和流体进行传播的纵波或地震初波。在部分“A”中通入一种压力液体，以消除可经固体进行传播的横波或次级波。“F1”为地震波对抗地震板的横向作用力，该作用力在液体中产生一个压力，使得对地基板(1)的合力为零。“F4”是一个未被平衡的作用力，其对大地施压。本发明可用在各种类型地基和大的面积区域中，用于对基础设施等进行保护。作为备选方案，还可用于圆锥形基座、地下埋墙、横梁支撑件等结构。

Description

带有抗地震板的地基结构系统
技术领域
本发明所属领域为抗地震结构，并涉及地球物理学中有关地震学的分学科。
背景技术
在现有的技术状况中，可以认为地震实际上是不可预测的。产生地震的主要原因是板块构造学方面的，板块构造运行直接的效果就是在震中或震源处产生弹性力，弹性力传播而穿过地壳(传播形式为地震纵波或初波以及横波或次级波)
当这些弹性力到达地面时，在大地/空气界面或大地/水体界面，会形成具有不同强度或波长的表面力(形式为洛夫波、瑞利波、长波或L波)。
表面波的破坏性是最强的，其既在水平方向、又在垂直方向对建筑结构施加作用，而迫使建筑结构产生位移。该波动作用通过地基传播到建筑结构的其它部分，从而产生颤震和扭晃。
到目前位置，针对于地震的起因，已进行了很多的研究，且所有的研究都致力于对地震进行预报，以避免出现灾难(在1975年，中国人成功地预报了在海城地区的地震)。另外，人们已经在努力衰减地震的破坏力，具体措施是：将建筑物设计成锥体状的对称结构；将电梯设置在中央；对结构进行增强—甚至于用其中富含碳纤维的混凝土来进行增强。
另一个研究领域则集中于找出合适的延性材料，反过来，延性材料对地震具有抵御能力，因而可吸收或衰减地震波。
理想的情况是：在地震波对地基产生作用之前，就将其衰减或消除掉。沿着这样的设计思路，对电流变材料进行了研究，且这些研究预示着：在不久的将来，就可以考虑在地基上应用这些材料的特性。
这些材料具有这样的性质：当在材料体中通入电流时，其就能保持刚性的固体态，而当停止电流供应时，物质在几毫秒内就能变为凝胶态，该状态的物质能更好地吸收地震波。
在西班牙，存在一个强制性的法规：建筑抗震标准—NCSE94。
发明内容
为了便于更好地理解本发明，下面简要地介绍一些在本文中要考虑到的、极为相关的概念：
1.—所有的地震波力都是通过接触来相互发生作用的，它们的传播都需要一种理想的介质；
2.—地震纵波或初波和类似波的作用形式类似于声波，且能穿过固体和液体；
3.—横波或次级波等类似波仅能在固体中传播；
4.—液体是不可压缩的；
5.—互动接触力是不能在真空中传播的；
6.—力作用线不能透射过液体；
7.—在本文所有的场合都要考虑帕斯卡原理；
8.—在本文附图中，为了便于更好地进行解释，特意对力的传播作了夸张处理；
9.—仅考虑力的方向、大小以及作用点。
本发明的目的是通过抗地震板将地基与地震的弹性力相隔离，由此使所建造系统(建筑物、桥梁等)的静平衡免被破坏，因而，地震波不会传播到建筑工程的其余部分上。
本发明提出一带有抗地震板的地基结构系统，用于保护建筑物、工程结构、基础设施，并与地基、地基板、立柱和/或墩桩、或插入到大地中的类似结构配套使用，在地震力或其它任何类似的作用力能作用到地基上之前，利用抗地震板将地基与所述作用力相隔离，从而避免作用力传播到工程结构的其它部分，其特征在于：所述抗地震板是由相邻的腔室组成的，这些腔室包括一个内部形成真空的腔室、以及一个内充有压力液体或半液体的腔室。
优选地，所述内部形成真空的腔室被设置在外侧，其可对经固体和流体传播过来的纵波或类似波进行衰减；所述腔室包括在它的相邻壁板之间的分隔器。
优选地，所述相邻壁板具有小量的挠性。
优选地，所述内充有液体或半液体的腔室被设置在内侧，其可将地震的弹性力转换为压力，因而可破坏其力作用线。
优选地，所述抗地震板包括另一腔室，在所述另一腔室中有一液体或半液体，所述抗地震板设置成使得所述腔室夹在两腔室之间。
优选地，所述隔震地基板是圆柱形、棱锥形、或圆锥形，从而具有对地震波的较少横侧面，并形成折射角，由此获得一个向下作用的垂直合力。
优选地，其包括地下挡墙的结构，用于保护已建成的工程结构，使其免受表面波的损坏。
优选地，所述分隔器为球形。
图1所示的抗地震板14是一容座，优选的情况是：其为正方形，且其厚度是可变的，如图2所示，该抗地震板被分成两个部分。
在部分13中，以较小的压力通入了一种液体或半液体。这样进行设计的目的是在压力作用下对地震波进行转化，并破坏地震波的力作用线。
在部分12中，形成一真空，以阻挡纵波的传播，假如纵波传播经过了固体和流体，但其却不能穿过真空。
该抗地震板14必须能支撑很大的压力。考虑到部分13的液体是不可压缩的，所以在部分12(该部分中形成了真空)的两表面(1和3)之间安装了一些分隔器2，这些分隔器的形状优选为球形，从而可用最小的接触面获得最大的抵抗力。
在图2中，需要强调的是：表面1和3具有小量的挠性。这样就使得地震波的机械力能向容座13内的液体施加压力。
如可从图3看出的那样，图2中的表面4应当与建筑工程系统始终保持接触。
按照地震弹性力频率的阶序，作用力首先是作用在图2中的表面1上，这将会对分隔器2施加作用力，分隔器再向表面3施力，而表面3向容座13中的液体施加作用力，在该容座中，作用力被转换为表面4上压力，而该表面4向建筑工程系统施力。在图3中，将抗地震板14正确地组装到地基板1的底部及其侧边或周边。周边的抗震板(如果不是环绕着地基板的单体抗震板)将利用容座13部分而相互接合起来，从而在整个周边上液体的反作用力都是等量的。作用力F1代表建筑物的静态力，作用力F2是大地对建筑物的反作用力，在不破坏静态平衡的条件下，可用任何其它相等或更小的作用力(地震的情况)来取代该作用力。
图3中的力F3可被看作是地表地震力，该作用力向液体13施加压力，所施加的压力反过来又向侧面环绕的抗震板施加一个压力，力图对其进行压缩。这些作用力是相等的，且相互反向，因而可相互抵消。
力F4将是各个表面的非平衡力，力F3是主动力，而力F4则是反作用力。
本发明显著的优点是：
能衰减或消除地震波，避免在建筑物中产生颤震和扭晃，这将能实现不同的工程项目。
所采取的措施可消除建筑物内人员在感受到地震时的心理反应。
本发明可应用到任何建筑工程上，本发明使得建筑工程能覆盖很大的面积，从而能保护基础结构、水管、煤气管等。
本发明还适于用来衰减机器的震动、声波等，或类似地用于支撑桥梁的横梁或桥面板等。
附图说明
图1为正视图；
图2是抗地震板14的横剖面图，图中13为液体所占据的空间，12为形成真空的空间，表面1是与大地接触的表面，标号2指代表面1与表面3之间的分隔器，标号3指代13空间与12空间之间的分隔面，表面4为与建筑工程系统相接触的外表面；
在图3中，标号1指代地基板和立柱，14为抗震板，F1为静态力，F2是大地的反作用力，F3是地震的表面力，F4是各表面的未平衡力；
图4是一个横剖面图，以便于能领会各个抗震板14；
图5是图4的剖视图，图中，标号17为立柱，14为抗震板，16为地基板，15为环绕着地基板的箱体，5为环绕着建筑物的周壁，6为绝热混凝土，7为用于支撑抗震板的浮动绝热混凝土，8为建筑物撑杆而设的钢筋地基板，9为空腔或填实腔，10是为侧壁和立柱而设置的、带有膨胀接头的基床或钢筋增强板，标号11指代大地。
在图6中，标号16为锥形的地基板和支柱，14为抗震板，F1为地震的横向力，F2是由欠平衡而产生的作用力；以及
图7表示了地下挡墙，图中，标号5为混凝土填层，14为抗震板，11指代大地，F1为地震力。
具体实施方式
通过下文的描述(但该描述是非限定性的)，对三种优选形式的结构进行详细描述，它们的特性是不相同的。
在建筑物和类似建筑工程的结构中，一种双级抗地震屏障的效果是显著的，该双级屏障是由周壁和建筑物的地基构成的，且其抗地震板14要尽可能地大，这些抗震板是相互连通的(成为闭合回路)，以便于使液体的反作用量是相同的。抗地震屏障可以是由一钢筋混凝土板制成的，从而可支扶着整个建筑物，如果在地面上形成了相当显著的裂纹，则还可利用该屏障来保护地基板。
图4和图5表示了建筑工程的一种优选实施形式。
在将围坝清空之后，用绝热混凝土建造出周壁6和地基7的底部，然后再安装抗地震板14，而后，设置对应于钢筋混凝土板8的钢筋和环绕着地基板或箱体4的侧壁5。先浇筑形成混凝土板8，然后再制出用于造型的辅板或侧壁5，箱体中将包含着地基板15。一旦浇筑完成、且板状构件被撤去之后，抗地震板14就被安装到了箱体内，从而可保护地基板。
可在地基板的底部安装单块抗震板，且如图4所示，为各个周壁(见图4，在此情况下周壁为四个侧面)也设置了一单块的抗震板14，从而在此情况下，将有四块抗震板，与图2中液体13对应的部分必须要相互连通起来而形成闭合的回路。
安装地基板16的铁格栅，然后再对立柱17的钢筋架进行浇筑。空间9可以是一个充气的空腔，或者也可以用沙砾或其它类似的物料将该空间填充，从而可达到所需的静态强度。基床或基底10将具有一膨胀接头，并带有侧壁和立柱。在图4和图5中，大地被表示为N°(或标号11)。
在图6中，表示了一种地基板，这种地基板值得注意的原因在于：其形状是锥形的。这种地基板特别适用于建造静态重量很轻的工程、或地基板相互分隔开的工程(桥梁、高架路等)。地基板也可以采用其它的形状：例如棱锥状或圆柱状等。
设计这些种类的地基板的目的在于：使表面地震波能影响到的表面变为最小，并形成折射角，按照这样的方式，就更容易使作用力传播到阻抗最小的位置处，具体来讲，除了获得一个向下的合力之外，还获得了一个包围着地基板16的作用力，其中的合力向下挤压或用于锚固，其可增大静态力。
下文将按照示意性的方式，仅通过理解本发明特性的思想来展开介绍。
图6中的力F1是表面地震波作用在地基板16上的作用力，该作用力的一部分分量包围着地基板，并向上传播，从而遇到的阻抗为最小，而作用力的另一部分分量则作用在抗地震板14上，从而对液体产生一个压力，该压力以正交的方式作用在包含液体的侧壁上，由此而产生了两个合成力R1和R2(可以理解：可将周边上的两相对点看作是产生合力的位置处)。
通过合力R1和R2，获得了另一个合力，该合力被称为R3，其是一个垂直向下的力。
地基板的基坑通常为方坑的形式；因而，坑中空间的剩余部分可用干硬性混凝土进行填实，从而能使地基板获得一个可抵消F2力的静态力，其中的F2力如果被分解开时，将形成一个水平力、一个向上的垂直力。
设置图7中地下挡墙的目的是对已建成的工程结构进行保护，使它们免受表面地震波的损坏，表面地震波的破坏性是最大的。
如图7所示，表面地震力F1是经大地11和干硬性混凝土填层5传播的，其作用到抗震板14上，而后再以均匀的方式作用到大地上。
尽管这些挡墙能消除掉洛夫波，但其效果只是相对而言的，它们能允许具有不同波长的剩余地震波穿过，从而将部分作用力传递到地下挡墙。这种建造方法将需要对间距、深度等进行研究。
认为这种采用地下挡墙的设计比在造价允许条件下采用电流变材料的方案更为有效或更为实际。后一设计方案的实现是非常简单的：挖出一尽可能窄、尽可能深的凹坑，用电流变材料、其它已知的半液体材料、或其它能获得的材料对凹坑进行填充，这将是最简单、最廉价的方案。
从历史数据或统计数据可找出可能发生地震的区域或震源地，可建造出挡墙来衰减表面力，但即使以这样的方式，可经固体和液体进行传播的纵波或初波以及其它类似的波也能穿过挡墙，但这些波的危害性并不是最大的。

Claims (8)

1.带有抗地震板的地基结构系统，用于保护建筑物、工程结构、基础设施，并与地基、地基板、立柱和/或墩桩、或插入到大地中的类似结构配套使用，在地震力或其它任何类似的作用力能作用到地基(16)上之前，利用抗地震板将地基与所述作用力相隔离，从而避免作用力传播到工程结构的其它部分，其特征在于：所述抗地震板(14)是由相邻的腔室组成的，这些腔室包括一个内部形成真空的腔室(12)、以及一个内充有压力液体或半液体的腔室(13)。
2.根据权利要求1所述的、带有抗地震板的地基结构系统，其特征在于：所述内部形成真空的腔室(12)被设置在外侧，其可对经固体和流体传播过来的纵波或类似波进行衰减；所述腔室(12)包括在它的相邻壁板(1，3)之间的分隔器(2)。
3.根据权利要求1所述的、带有抗地震板的地基结构系统，其特征在于：所述相邻壁板(1，3)具有小量的挠性。
4.根据权利要求1所述的、带有抗地震板的地基结构系统，其特征在于：所述内充有液体或半液体的腔室(13)被设置在内侧，其可将地震的弹性力转换为压力，因而可破坏其力作用线。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的、带有抗地震板的地基结构系统，其特征在于：所述抗地震板包括另一腔室(13)，在所述另一腔室(13)中有一液体或半液体，所述抗地震板设置成使得所述腔室(12)夹在两腔室(13)之间。
6.根据权利要求1所述的、带有抗地震板的地基结构系统，其特征在于：所述隔震地基板(16)是圆柱形、棱锥形、或圆锥形，从而具有对地震波的较少横侧面，并形成折射角，由此获得一个向下作用的垂直合力。
7.根据权利要求1所述的、带有抗地震板的地基结构系统，其特征在于：其包括地下挡墙(5)的结构，用于保护已建成的工程结构，使其免受表面波的损坏。
8.根据权利要求2所述的、带有抗地震板的地基结构系统，其特征在于：所述分隔器(2)为球形。
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