随着城市化快速推进,建筑密集,城市可绿化面积减少,屋顶花园发展迅速.作为建筑的“第五面”,屋顶花园可以有效的增加绿化面积,具有保温隔热、收集雨水等作用.同时屋顶花园使结构重力荷载和地震作用倍增.若能利用屋顶花园进行减震设计,新建房屋可降低其地震作用,对于既有房屋还可大幅降低增设屋顶花园改造设计的难度.
近几十年来,世界各地的灾难性地震屡屡发生大规模的地基液化现象[1].大量的地基液化现象及其引起的地下工程与地面结构的严重破坏,造成了巨大的财产损失和人员伤亡.通过大量液化现象表明,地震液化对工程结构有加震和减震的双重作用.1995年日本阪神地震中,Port和Rokko人工岛发生大面积液化现象,人工岛周边(液化侧扩区)房屋破坏严重,但人工岛中部(液化非侧扩区)结构震害极少[2].1976年唐山地震有“湿震(液化区)不坏,干震(非液化区)坏”的说法,表明地基土液化可耗散地震能量,反而减轻了工程结构的震害.因此,砂土或粉土液化有耗能减震潜力,震害的严重性和易发性也恰恰反映了液化具有耗能强、带宽长的特点.
地基液化可以通过隔震和耗能机理减轻上部结构的震害,但还很难直接用于结构的减震设计.同时若非液化土层强度不足以支撑上部结构,反而可能加剧结构震害.若能把原本不利的粉土从建筑物的底部转移至建筑物顶部,即可很好地利用粉土振动液化的耗能减震特性.粉土(较砂土更适宜种植)填充屋顶花园可以成为实现这一转移的载体.饱和粉土液化后呈黏滞流体,所填充的屋顶花园即可形成类似调谐液体阻尼器(TLD)的减震效果.这既可利用粉土液化的耗能潜力,又可实现屋顶花园从负重到减震的功能转变.
国内外许多学者致力于减震理论和方法的研究,并取得了大量的成果.然而在大量工程应用中也暴露出了阻尼器减震能力上的一些问题.在屋顶花园减震方面,有学者提出采用叠层钢板橡胶垫或其他支座作为连接装置,将屋顶花园支承在主要结构体系上形成一个减震系统[3].这种做法可实现一定的减震效果,但设备装置的连接构造比较复杂,除了叠层钢板橡胶支座外,还需要在屋顶上增加一个类似“花盆”的钢筋混凝土容器.
前期的一些学者证实了屋顶花园填充粉土具有良好的减震效果,但目前利用液化的非黏性土进行消能减震的研究较少,并距实际的应用还有众多的问题:(1)需要对液化的加强方法和触发条件进行研究,确保在地震发生时粉土能产生液化;(2)非黏性土发生液化后,需要优化其耗能性能和研究其耗能机理;(3)需要研究粉土填充屋顶花园动力特性及简化设计方法.从可液化、可减震和可设计三个角度讨论了粉土填充屋顶花园减震功能拓展的可行性,为进行系统研究并最终形成一种经济、环保、简单、实用的结构减震控制方法奠定了基础.