隔震支座力學(xué)性能綜述

王加雷

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東廣州 510006）

1 研究意義

建筑隔震的原理是通過底部基礎(chǔ)的橡膠支座，將輸入的地震能量與上部建筑產(chǎn)生動力放大的結(jié)構(gòu)隔絕，從而減少上面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移反應(yīng)。隨著隔震技術(shù)越來越成熟，研究考慮的難題也逐漸顯現(xiàn)，比如隔震支座的水平位移復(fù)位，橡膠支座的抗拉性能，高層結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，橡膠溫差的性能變化，大跨度空間結(jié)構(gòu)支座的轉(zhuǎn)動，隔震技術(shù)不具備豎向隔震的效果，鉛芯橡膠不同尺寸隔震的影響，增加隔震支座面積的工藝造價高，農(nóng)村的磚混砌體強(qiáng)度低，水平隔震效果比豎向更加明顯，隔震支座的安裝位置不在地震波的方向。

本文在隔震支座發(fā)展的過程中，對不同發(fā)展階段遇到力學(xué)性能難題進(jìn)行研究，提出解決的方法和理論，并在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出新的問題。

2 基本性能

在建筑結(jié)構(gòu)下面組裝隔震支座，能夠保證地震動力響應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)隔離，隔震效果的優(yōu)劣必須對橡膠支座的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

Gyung Ju Kang等對比試驗不同纖維增強(qiáng)材料隔離裝置，提出應(yīng)用高阻尼性能支座。譚平等以不飽和材料支座進(jìn)行試驗，提出水平剛度隨壓應(yīng)力的增大而降低，隨水平剪應(yīng)變的增加而下降。林達(dá)文等對隔震支座力學(xué)性能做了實驗研究，包括抗壓模量，耐臭氧性能，復(fù)原彎矩，偏心加載，剪切高低溫，實驗得到的數(shù)據(jù)驗證了良好的抗震性能。李旭東提出水平剛度，豎向剛度和阻尼比是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的參數(shù)，并進(jìn)一步提出了在力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝。

3 不同支座類型隔震

3.1 碟形彈簧復(fù)合隔震支座

地震震級增加一級，釋放的能量呈32倍遞增，相當(dāng)于40000顆原子彈的威力。房屋的隔震支座，選用的阻尼材料需要消耗大量能量，在機(jī)械和航空領(lǐng)域，碟形彈簧阻尼器應(yīng)用較多，它具有性能穩(wěn)定，高阻尼等特點。Min-Sang Seong等將MR阻尼器和碟形彈簧組合，應(yīng)用于軍用車，用計算機(jī)模擬多方向振動，驗證效果很好。王維等提出將黏彈性材料和碟形彈簧復(fù)合成隔震支座。碟形彈簧將地震力與上部結(jié)構(gòu)隔開，并通過黏彈性材料消耗能量。

3.2 HPIS隔震支座

對于橡膠的豎向性能，高層建筑對其要求比較高，國家規(guī)范限制豎向承載能力在12MPa左右，而橡膠支座的最高承載能力在55MPa左右，橡膠隔震支座的性能得不到充分利用。

楊巧榮等提出2、3和4支座布置的組合支座系統(tǒng)，鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座的水平剛度隨剪應(yīng)變的增加而變小，剪切變形越大，其屈服剛度下降越大，隨著壓應(yīng)力的增大，組合橡膠支座的水平剛度變化不明顯。

4 不同支座材料隔震

目前支座類型與力學(xué)性能的聯(lián)系，橡膠的平面尺寸與強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，并未建立一套完整的運用理論。早期的研究提出，橡膠厚度因高溫而改變，采用原尺寸會引起設(shè)計問題，徐永秋等提出了圖1的層疊橡膠支座的豎向剛度計算方法，需要考慮橡膠的直徑、厚度、鋼板的屬性來修正計算系數(shù)。

對于圖2的新型塑料夾層纖維橡膠，與鋼板加勁橡膠相比，豎向剛度接近，水平等效剛度能達(dá)到80%。它具有造價低，耐久性強(qiáng)等特點，適用于農(nóng)村不發(fā)達(dá)地區(qū)。

圖3的高阻尼材料支座，集合豎向承載力，水平復(fù)位能力和消耗地震能量于一體。一般適用于高層、大跨度建筑等抗震要求高的支座。

圖1 層疊橡膠支座

圖2 塑料夾層纖維橡膠支座

圖3 高阻尼橡膠

5 不同層疊角度隔震

5.1 上下表面有轉(zhuǎn)角的橡膠支座

對于大跨度建筑，風(fēng)荷載與地震力影響著支座的轉(zhuǎn)動。變形后的橡膠支座對水平地震力的抵抗減弱。而Haringx理論適用于預(yù)測支座的力學(xué)性能變化。但沒有考慮支座上下端部轉(zhuǎn)角的變化影響。徐忠根等提出小剪應(yīng)變時，無初始轉(zhuǎn)角水平剛度隨剪應(yīng)變的增大而減小，并且豎向壓力對水平剛度不太影響。有初始轉(zhuǎn)角的水平剛度隨剪應(yīng)變的增加而變大，剪應(yīng)變在超過75%的幅度時，水平剛度逐漸減小。

5.2 斜向滑動摩擦橡膠支座

目前研究的隔震支座大部分是針對水平位移響應(yīng)，對于豎向動力分析的研究卻是很少，2008年汶川地震中站臺儀監(jiān)測的水平加速度比豎向加速度小很多，因此對于豎向地震加速度分析是有必要的。許浩等提出了斜向三維隔震支座，針對豎向的地震位移響應(yīng)，用摩擦滑動支座來回移動，提高豎向性能。經(jīng)過試驗得到了圖4的剪切，壓縮，摩擦滑動等性能模型。對于滯回曲線的形狀，因為存在摩擦力，會形成非線性的四邊形。

圖4 支座各力學(xué)模型

6 組合型隔震

6.1 環(huán)形鋼絲繩-疊層橡膠支座

地震發(fā)生的場地烈度和具體位置是未知的，特別在某一地震波來臨時，隔震支座的定位方向不能夠抵抗強(qiáng)烈的水平地震力。Xiuting Sun研究的隔震裝置，通過改變頻率與振幅參數(shù)，實現(xiàn)三向的振動控制。萬信華等提出將鋼絲繩緊箍層疊橡膠，形成環(huán)向抗震的組合支座，當(dāng)拉伸到局極限位置時，水平剛度發(fā)生“硬化”現(xiàn)象。

6.2 滑板與橡膠并聯(lián)支座

組合隔震用到的材料有水平橡膠層，消能的彈簧，還有附加的阻尼器等，許多三維組合隔震支座，考慮了豎向隔震的阻尼，但沒有考慮附加的豎向剛度，豎向動力響應(yīng)大的支座，容易造成分離。趙亞敏等提出了碟形彈簧和鉛芯橡膠組合的支座，對水平和豎向的耗能效果好。

7 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)底部的隔震支座研究，在不斷的發(fā)展與進(jìn)步，目前解決的問題，是基于滿足現(xiàn)階段的要求或者還未發(fā)現(xiàn)新的領(lǐng)域研究，因此，未來的技術(shù)工作還有待進(jìn)一步研究。比如隔震支座永久性材料研究，支座使用周期的定性，鉛芯使用后的回收利用，在不同地震波的作用下，最優(yōu)隔震支座的選取，并且如何捕捉到實時地震波，研究類似場地地震波。未來的隔震設(shè)計，不僅局限于橡膠，鉛芯，彈簧等材料組合，需要尋找造價低，組裝便捷，高阻尼，高強(qiáng)度的支座材料。

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