新型低模量超高阻尼橡膠支座在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

資道銘　靳建楠　莫曲浪

新型低模量超高阻尼橡膠支座在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

資道銘靳建楠莫曲浪

資道銘，男，高級(jí)工程師，柳州東方工程橡膠制品有限公司總工程師。2000年開始長(zhǎng)期對(duì)減隔震技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行研究，獲省部級(jí)科技發(fā)明二等獎(jiǎng)一次，科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)兩次，三等獎(jiǎng)一次。主持編制了兩部交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》《橋梁超高阻尼隔震橡膠支座》。申報(bào)并獲得發(fā)明專利七項(xiàng)，實(shí)用新型專利八項(xiàng)。

地震災(zāi)害帶來的結(jié)構(gòu)安全危脅是一個(gè)非常特殊的安全因素，它具有不可預(yù)知、無法避免，且破壞嚴(yán)重和時(shí)效長(zhǎng)等特點(diǎn)。近幾十年來，世界發(fā)生了一系列災(zāi)難性大地震，如1995年的日本阪神大地震、2004年的印尼蘇門達(dá)臘地震、2008年的5?12汶川大地震、2011年的3?11東日本海大地震，均對(duì)大量建筑和橋梁結(jié)構(gòu)造成了毀滅性破壞，給災(zāi)區(qū)帶來了巨大的災(zāi)難。

長(zhǎng)期以來，結(jié)構(gòu)師們?cè)谂ふ夷軌虻钟卣饘?duì)工程結(jié)構(gòu)破壞的方法，而減隔震技術(shù)是目前被公認(rèn)最有效的方法之一，在國(guó)外早已得到廣泛使用，不少已經(jīng)經(jīng)受了實(shí)際地震的考驗(yàn)。周福霖院士認(rèn)為，“隔震減震技術(shù)是40年來地震工程最重要的成果”。

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法是依靠增加結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度來抵抗地震。盡管通過加大截面尺寸、加大配筋和選擇塑性鉸位置等可以確保結(jié)構(gòu)的整體性，防止結(jié)構(gòu)倒塌，但無法避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷，尤其是室內(nèi)設(shè)備、家具等的傾倒、損壞甚至造成人員傷亡。而且，使用傳統(tǒng)的抗震方法，由于加大結(jié)構(gòu)剛度，會(huì)導(dǎo)致更多的地震能量從地面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)（見圖1），形成惡性循環(huán)。

建筑隔震主要是通過在建筑基礎(chǔ)或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置水平剛度較小的隔震裝置（見圖1），來延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。地震時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平變形主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)變形減小，同時(shí)利用隔震裝置的阻尼來消耗地震能量，控制結(jié)構(gòu)的地震位移，保證結(jié)構(gòu)的安全。

道路橋梁是震后搶險(xiǎn)抗災(zāi)通道的咽喉，其抗震能力的重要性不言而喻。2008年汶川地震后，我國(guó)交通部頒布了新的公路橋梁抗震標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008），與舊版橋梁抗震規(guī)范《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ 004-89）相比，增加了減隔震設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容；2011年，住建部又頒布了《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011），使新的橋梁抗震思路與方法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用有了法律依據(jù)。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，由于其單位面積人口密度大，結(jié)構(gòu)安全也倍受重視，早在2001版的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2001）便提出了減震隔震設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用。

為使隔震結(jié)構(gòu)在地震中的安全得以保證，研究開發(fā)出性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、便于安裝維護(hù)又造價(jià)可控的減隔震裝置，是重要的環(huán)節(jié)。在橋梁領(lǐng)域，鉛芯隔震橡膠支座、超高阻尼橡膠支座作為優(yōu)異的隔震裝置，均已得到廣泛應(yīng)用，并且針對(duì)這兩類隔震裝置，交通部分別在2012年、2014年頒布了《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T 822-2011）和《橋梁超高阻尼隔震橡膠支座》（JT/T 928-2014）。而在建筑領(lǐng)域，雖然2006年頒布的國(guó)家隔震支座標(biāo)準(zhǔn)《橡膠支座第3部分：建筑隔震橡膠支座》（GB 20688.3—2006）中已經(jīng)包含了鉛芯隔震橡膠支座與超高阻尼橡膠支座，但目前國(guó)內(nèi)還一直無法開發(fā)出可用于建筑結(jié)構(gòu)隔震的超高阻尼橡膠支座，因此建筑中使用的隔震裝置幾乎均是鉛芯隔震橡膠支座。

圖1　非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)示意

圖2　無鉛型隔震橡膠支座結(jié)構(gòu)

圖3　鉛芯隔震橡膠支座結(jié)構(gòu)

低模量超高阻尼橡膠支座介紹及性能研究

隔震支座按主要材料的不同可分為：金屬類隔震支座和橡膠類隔震支座。金屬類隔震支座一般用于特大承載力要求的工程結(jié)構(gòu)，而橡膠類隔震支座一般用于中小承載力要求的結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)所需的支座承載力一般不大。因此，最適于使用橡膠類隔震裝置。

橡膠類隔震支座的分類及結(jié)構(gòu)

在工程結(jié)構(gòu)上使用的橡膠隔震支座主要有以下幾類：

1） 無鉛型隔震橡膠支座

無鉛型隔震橡膠支座是用天然橡膠與鋼板疊層硫化粘結(jié)而成（見圖2）。它在水平方向具有彈性性能，不具備顯著的阻尼特性，其阻尼比為5%左右。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中，采用線彈性恢復(fù)力模型，不考慮其阻尼耗能。

2） 鉛芯隔震橡膠支座

鉛芯隔震橡膠支座由橡膠層、鋼板疊層粘結(jié)再灌入鉛芯棒組合而成（見圖3）。鋼板提高支座豎向剛度，使之能有效地支承上部結(jié)構(gòu)；橡膠層賦予支座高彈性變形及復(fù)位和承載的功能；鉛金屬的“再結(jié)晶”性能，使得鉛芯棒在支座發(fā)生剪切變形時(shí)會(huì)被擠壓變形、剪斷，而后又慢慢結(jié)晶，該過程中會(huì)消耗大量能量，從而增大支座阻尼。因此，鉛芯隔震橡膠支座具有較高的承載性，較大的阻尼，大水平位移能力和復(fù)位功能。

3）超高阻尼疊 層橡膠隔震支座（HDR，SHDR）

超高阻尼疊層橡膠隔震支座在結(jié)構(gòu)上與無鉛型隔震橡膠支座一樣，但其橡膠采用特殊材料，例如在橡膠內(nèi)混合某些高分子聚合材料，調(diào)節(jié)和改變了材料的阻尼性能，使支座在發(fā)生快速水平剪切變形時(shí)消耗較大能量。普通高阻尼橡膠支座的阻尼比在12%以上，而超高阻尼橡膠支座的阻尼比可以達(dá)到18%以上。超高阻尼疊層橡膠隔震支座兼有隔震裝置和阻尼器的作用，在隔震系統(tǒng)中可獨(dú)立使用。

橡膠類隔震支座的性能研究

水平剪切性 能是隔震支座最重要的指標(biāo)。幾類隔震橡膠支座典型的滯回曲線見圖4～圖7。

由圖4至圖7可以明顯看出，超高阻尼橡膠支座比高阻尼橡膠支座的滯回曲線更飽滿，阻尼比更高，耗能能力更強(qiáng)，因此對(duì)鉛芯橡膠支座的替代性也更強(qiáng)。當(dāng)然，其生產(chǎn)工藝及其技術(shù)要求也更高。

對(duì)于隔震支座，水平剪切性能還受許多因素的影響。因此，必須考慮其相關(guān)穩(wěn)定性能試驗(yàn)的研究。柳州東方工程橡膠制品有限公司（OVM）資道銘等已經(jīng)對(duì)幾種不同的隔震橡膠支座相關(guān)穩(wěn)定性試驗(yàn)（包括壓力穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、水平疲勞穩(wěn)定性）結(jié)果進(jìn)行了公布。

鉛芯隔震橡膠支座是性能非常優(yōu)異的隔震產(chǎn)品，具有豎向承載能力高，水平剛度低，耗能能力強(qiáng)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等特點(diǎn)，在建筑中被大規(guī)模使用，是最重要的隔震裝置。但它使用了重金屬鉛，鉛會(huì)對(duì)人體健康造成極大損害，并可能嚴(yán)重污染土壤。在日益重視環(huán)境保護(hù)的當(dāng)今，它的使用將會(huì)越來越受局限。雖然在鉛芯橡膠支座中，鉛被密封在內(nèi)部，正常使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生環(huán)保問題，但在煉鉛過程中會(huì)產(chǎn)生污染，間接地污染了環(huán)境；另外，若隔震建筑拆遷或隔震裝置更換時(shí)，忽略了鉛的回收處理，將可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生災(zāi)難性污染。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)保愈加重視，要求日益嚴(yán)格，使用更加環(huán)保的新型隔震裝置是大勢(shì)所趨。

圖4　天然疊層橡膠支座的滯回曲線

圖5　鉛芯隔震橡膠支座的滯回曲線

圖6　高阻尼橡膠支座典型滯回曲線（HDR）

圖7　超高阻尼橡膠支座典型滯回曲線（SHDR）

建筑和橋梁所使用的隔震橡膠支座在性能上有較大區(qū)別。建筑隔震橡膠支座需要承受比橋梁更集中的豎向荷載，豎向變形要求小，無轉(zhuǎn)角要求，因此在設(shè)計(jì)時(shí)其豎向剛度相對(duì)要大很多。而在水平方向，其水平剛度的要求又較橋梁隔震橡膠支座小很多，即建筑隔震橡膠支座的橡膠彈性模量值要比橋梁低很多。一般情況下，橋梁隔震橡膠支座的橡膠彈性模量為0.8 MPa～1.2 MPa，而建筑為0.4 MPa～0.6 MPa。鉛芯隔震橡膠支座主要由鉛棒耗能，使用的橡膠一般是純天然橡膠，因此其橡膠模量變化的配方研制相對(duì)簡(jiǎn)單；而超高阻尼橡膠支座的耗能是由橡膠本身提供，在橡膠材料的選取上要進(jìn)行考究，并在橡膠配方中添加特殊材料，以提高橡膠的阻尼性能。但通過添加特殊材料增加橡膠阻尼性能的同時(shí)，橡膠的模量會(huì)大幅增加。因此，研發(fā)可用于建筑結(jié)構(gòu)隔震的低模量超高阻尼橡膠支座，其難度遠(yuǎn)高于橋梁超高阻尼支座。

柳州東方工程橡膠制品有限公司（OVM）繼早期對(duì)橋梁鉛芯隔震橡膠支座、超高阻尼隔震橡膠支座的深入、系統(tǒng)研究與開發(fā)，并大規(guī)模推廣應(yīng)用之后，現(xiàn)又成功研究開發(fā)出國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的低模量超高阻尼橡膠支座（見圖8），其模量低，在0.5 MPa左右；阻尼比高，達(dá)到18%以上，突破了低模量與高阻尼成反相關(guān)特性的限制。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，最高級(jí)別S－A類建筑隔震橡膠支座的極限剪應(yīng)變能力要求達(dá)到350%，而低模量超高阻尼橡膠支座極限剪應(yīng)變可達(dá)到460%，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求（見圖9）。為環(huán)保、低模量、高耗能及大變形能力隔震橡膠支座在建筑上的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

低模量超高阻尼橡膠材料經(jīng)過改性后，具有更好的耐老化性能，能提高支座的使用壽命。由于高阻尼材料的特殊性，支座在100%剪應(yīng)變時(shí)，具有高阻尼比，低支座屈服力、低水平剛度值，利于隔震分析時(shí)對(duì)減震系數(shù)的控制；而在250%剪應(yīng)變時(shí)，由于其“硬化”現(xiàn)象，會(huì)因力值增加變快而產(chǎn)生曲線上翹的情況，即支座的等效剛度會(huì)變大（見圖10），有益于大震時(shí)對(duì)建筑位移的控制。而鉛芯橡膠支座在250%剪應(yīng)變時(shí)則不會(huì)產(chǎn)生硬化現(xiàn)象（見圖11）。

圖8　JZSHDR600x173試驗(yàn)滯回曲線（100%剪應(yīng)變）

圖9　JZSHDR600x173極限試驗(yàn)滯回曲線（460%剪應(yīng)變）

圖10　低模量超高阻尼橡膠支座250%剪應(yīng)變滯回曲線

圖11　鉛芯橡膠支座250%剪應(yīng)變滯回曲線

低模量超高阻尼橡膠支座替代鉛芯橡膠支座分析探討

為研究低模量超高阻尼橡膠支座用于建筑隔震設(shè)計(jì)的有效性，我們將其與使用鉛芯橡膠支座的方案進(jìn)行分析對(duì)比。一是分析低模量超高阻尼橡膠支座用于隔震建筑的可行性；二是看兩類隔震橡膠支座用于建筑隔震設(shè)計(jì)哪種方案更優(yōu)，以及低模量超高阻尼橡膠支座是否可以完全替代鉛芯橡膠支座。

工程概況

某學(xué)校項(xiàng)目為多塔樓框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)縫將結(jié)構(gòu)分成6個(gè)單塔結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行隔震效果分析，C塔樓地上7層，A、D、E、F塔樓地上均為5層，B塔樓地上2層，A、B、C塔樓有一層地下室，層高3.9 m，隔震層設(shè)于地下室與首層之間，隔震層高1.5 m，地上首層層高4.2 m，其他層高多為3.9 m。建筑總高度為32.4 m。地下室設(shè)有配電房及消防水池，地上部分為學(xué)校主體建筑。

建筑類別為乙類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.20 g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)基本地震分組為第一組，場(chǎng)地為對(duì)建筑抗震一般地段。基本風(fēng)壓按50年一遇的基本風(fēng)壓采用，取ω=0.45 kN/m2，地面粗糙度B類。

圖12　抗震結(jié)構(gòu)三維模型圖

圖13　多塔模塊編號(hào)

圖14　隔震層上支墩及下支墩平面布置圖

圖15　支座布置圖（方案1）

圖16　支座布置圖（方案2）

圖17　支座布置圖（方案3）

支座布置及統(tǒng)計(jì)

因本文只做抗震及不同支座類別的分析對(duì)比，為簡(jiǎn)化篇幅，選取D模塊進(jìn)行分析研究。由于鉛芯橡膠支座有比較大的屈服力和初始剛度，建筑結(jié)構(gòu)在使用其做隔震設(shè)計(jì)時(shí)，為了調(diào)配隔震建筑的水平剛度，以確保在設(shè)防烈度地震分析時(shí)減震系數(shù)達(dá)到需求，隔震層一般還需配置一定數(shù)量的無鉛型隔震橡膠支座。為便于比較，我們將分析結(jié)構(gòu)分為傳統(tǒng)的非隔震結(jié)構(gòu)及隔震結(jié)構(gòu)，而隔震結(jié)構(gòu)的隔震層設(shè)計(jì)為三個(gè)方案，分別為：超高阻尼橡膠支座布置（方案1）、鉛芯橡膠支座與無鉛型橡膠支座組合布置（方案2）、鉛芯橡膠支座布置（方案3）。

各方案的支座布置示意圖見圖15—圖17，支座數(shù)量統(tǒng)計(jì)及各支座性能參數(shù)分別見表1、表2。表3為隔震層偏心率結(jié)果，在選擇、布置隔震支座時(shí)，應(yīng)盡量使隔震層重心與其剛度重心重合或接近，如表3所示，結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向最大偏心率均小于3%，隔震支座布局合理。

表1　D模塊3個(gè)方案支座型號(hào)與數(shù)量統(tǒng)計(jì)

表2　建筑隔震橡膠支座參數(shù)

表3　結(jié)構(gòu)偏心率計(jì)算

D模塊結(jié)構(gòu)模型隔震效果

（1）周期對(duì)比

非隔震模型的周期、隔震后的周期及周期放大系數(shù)如表4所示。隔震前，對(duì)比SATWE和ETABS計(jì)算結(jié)果，周期誤差很小；隔震后，三個(gè)方案均放大到原周期的3倍以上，其中方案1放大倍數(shù)最大。

（2）地震波

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010，以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）5.1.2條規(guī)定：本工程選取了5條天然波和2條人工模擬加速度時(shí)程，進(jìn)行時(shí)程分析，7組時(shí)程的平均值與振型分解反應(yīng)譜法的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

表4　結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

根據(jù)《抗規(guī)》3.10.3條及12.2.2條，本工程計(jì)算分析時(shí)設(shè)防地震峰值加速度取200gal，罕遇地震峰值加速度取400gal。本工程所選天然波來自美國(guó)太平洋地震工程研究中心（PEER）數(shù)據(jù)庫。

規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比圖如圖18所示，各地震波反應(yīng)譜曲線與規(guī)范譜在前3階周期處相差±20%以內(nèi)，7條反應(yīng)譜曲線平均值與規(guī)范譜吻合較好；基底剪力對(duì)比結(jié)果如表5所示，地震波在兩個(gè)方向基底剪力最小值與最大值分別為反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的69%和92%，且7條時(shí)程曲線平均基底剪力均＜120%，并＞80%，滿足規(guī)范要求，可以用于工程設(shè)計(jì)。

圖18　規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比圖

表5　非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力（Ⅷ度設(shè)防地震，即各地震波峰值為200gal）

表6　X方向結(jié)構(gòu)非隔震與隔震下各層剪力（KN）

（3）結(jié)構(gòu)減震系數(shù)

表6為設(shè)防地震作用下時(shí)程分析得出非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層剪力，及隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)，表中各層剪力為7條時(shí)程波的平均值。

在方案2中，鉛芯橡膠隔震支座與橡膠隔震支座組合布置時(shí)，因可以使用無鉛型橡膠支座對(duì)隔震層剛度進(jìn)行調(diào)整，為便于比較，調(diào)整支座布置使其減震系數(shù)與方案1盡量接近。從表6中可以看出，方案1與方案2各樓層的減震系數(shù)都很接近，即從層剪力來看，方案1與方案2隔震效果接近；而在方案3中，由于全部是鉛芯橡膠支座，其隔震層剛度比方案1的要大，方案1樓層剪力略小于方案3，即從層剪力來看，方案1較方案3隔震效果更好。

（4）罕遇烈度隔震層位移

罕遇地震烈度作用時(shí)隔震層最大水平位移如表7所示，最大位移取7條時(shí)程波支座最大位移的平均值。

圖19　X方向樓層剪力圖

圖20　Y方向樓層剪力圖

表7　罕遇地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)隔震層最大層間位移（mm）

設(shè)計(jì)的方案1減震系數(shù)明顯小于方案3時(shí)，兩方案隔震層位移接近；而方案1與方案2減震系數(shù)相近時(shí)，方案1隔震層的位移更小。即低模量超高阻尼橡膠支座作為隔震層，綜合了分別全部采用鉛芯隔震橡膠支座與部分采用鉛芯橡膠支座組合無鉛芯橡膠支座使用的兩種方式的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論及建議

1）工程結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)被廣泛接受，橡膠類隔震支座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易安裝，抗震效果顯著，其作為重要隔震裝置已被業(yè)內(nèi)認(rèn)可，鉛芯橡膠支座已大量應(yīng)用于減隔震建筑結(jié)構(gòu)。隨著隔震建筑的日趨增多，鉛芯隔震橡膠支座的用量越來越大，然而其中所使用的重金屬鉛對(duì)環(huán)境的潛在危害不容忽視；

2）低模量超高阻尼橡膠支座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，極限變形能力強(qiáng)，更環(huán)保，可完全替代鉛芯橡膠支座用于建筑隔震。其在小應(yīng)變情況下（100%剪應(yīng)變），屈服力小、水平剛度低，阻尼比高；而大變形（250%剪應(yīng)變）時(shí)產(chǎn)生翹尾現(xiàn)象，水平等效剛度增大。這種特性使其既在中震時(shí)滿足減震的需要，大震時(shí)又能更好地控制結(jié)構(gòu)地震位移。低模量超高阻尼橡膠支座用在建筑隔震層，支座類型統(tǒng)一，剛度分布更均勻，可以提供足夠的初始剛度保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、較小地震或其他非地震水平荷載作用下的穩(wěn)定性。作為替代方案，其效果更優(yōu)于全部使用鉛芯隔震橡膠支座或使用鉛芯橡膠支座與無芯型橡膠支座組合的方案；

3）低模量超高阻尼橡膠支座具有更好的耐老化性能，使用壽命更長(zhǎng)，而其產(chǎn)品價(jià)格卻與同類型鉛芯隔震橡膠支座幾乎相當(dāng)，因此具有更高的性價(jià)比；

4）保護(hù)環(huán)境，造福人類。使用更環(huán)保的低模量超高阻尼橡膠支座，應(yīng)該是工程設(shè)計(jì)者需要考慮的問題，也是大勢(shì)所趨。