淺談建筑隔震橡膠座的原理、制造及應(yīng)用

1、淺談建筑隔震橡膠支座的原理、制造及應(yīng)用淺談建筑隔震橡膠支座的原理、制造及應(yīng)用庾光忠，馮正林，胡宇新，郭紅峰，周函宇（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，412007）摘要摘要：介紹建筑隔震橡膠支座產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念、隔震原理、技術(shù)特性、性能參數(shù)；介紹建筑隔震橡膠支座產(chǎn)品一般的生產(chǎn)過程、檢測(cè)過程和控制要點(diǎn)；說明建筑隔震橡膠支座這種新型隔震產(chǎn)品有著良好的應(yīng)用前景、社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：地震；隔震；基礎(chǔ)隔震技術(shù)；建筑隔震橡膠支座；地震是一

2、種危害性極大的隨機(jī)性自然災(zāi)害，地震的發(fā)生帶給人類的是巨大的災(zāi)難，人們?cè)谂c其長(zhǎng)期地抗?fàn)庍^程中，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，尋求更好的抗震防災(zāi)措施，使抗震理論日趨發(fā)展。在“5.12”汶川地震發(fā)生后，某著名建筑設(shè)計(jì)大師曾指出：“我國現(xiàn)在的抗震技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界水平，只要采用先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)，像5.12汶川大地震所產(chǎn)生的后果是完全可以減輕的?！?1世紀(jì)的中國已經(jīng)擁有與美國、日本等先進(jìn)國家同等級(jí)的抗震技術(shù)——基礎(chǔ)隔震技術(shù)。當(dāng)前最先進(jìn)的基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過一種高新技

3、術(shù)產(chǎn)品——建筑隔震橡膠支座，將上部建筑結(jié)構(gòu)與下部地基結(jié)構(gòu)隔離，由于建筑隔震橡膠支座中的隔震層水平剛度小，柔性強(qiáng)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)隔震層將發(fā)揮“隔”震的作用，代替上部結(jié)構(gòu)承受地震強(qiáng)烈的位移動(dòng)力，以此來隔離或耗散地震的能量，避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸；增設(shè)的隔震層可以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期并給予結(jié)構(gòu)較大的阻尼，使上部建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)減小到相當(dāng)于不隔震情況下的14～18，近似平動(dòng)，從而起到“隔離”地震的作用。一、建筑隔震橡膠支座的隔震基本原理一、

4、建筑隔震橡膠支座的隔震基本原理建筑隔震橡膠支座隔震的基本原理是通過增設(shè)橡膠隔震支座，使整個(gè)建筑的自振周期得以延長(zhǎng)，以減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。一般做法是在建筑物底部設(shè)計(jì)一層隔震層，在隔震層設(shè)置橡膠隔震支座，利用橡膠隔震支座的水平柔性形成一道柔性隔震層，通過柔性隔震層吸收和耗散地震能量，阻止并減輕地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，最終達(dá)到減輕上部結(jié)構(gòu)地震破壞的目的。這種隔震技術(shù)不僅可以保證結(jié)構(gòu)的整體安全，并且能夠防止非結(jié)構(gòu)部件的破壞，避免建筑物內(nèi)部

5、裝修、室內(nèi)設(shè)備的損壞以及由此引起的次生災(zāi)害[1]。隔震設(shè)計(jì)技術(shù)的基本原理可以通過如下圖示來表示。假設(shè)一個(gè)結(jié)構(gòu)懸浮于地面，如圖1a所示，則地震作用不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但由于結(jié)構(gòu)還有自重，這樣的情況幾乎不可能發(fā)生。為了承擔(dān)結(jié)構(gòu)的自重，可以用摩擦力非常小的滾珠來代替示意，如圖1b，滾珠在豎向支撐結(jié)構(gòu)，而在水平方向與懸浮的情況近似，在水平地震作用下結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，但建筑物會(huì)滑移到其它位置而不能復(fù)位。因此，為了使結(jié)構(gòu)復(fù)位，需要在結(jié)構(gòu)中設(shè)置水平彈

6、簧，如圖1c所示，但如果僅有彈簧，一旦產(chǎn)生振動(dòng)后就很難停止，因此必須在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼裝置，以阻止振動(dòng)的持續(xù)。任何一個(gè)隔震結(jié)構(gòu)都可簡(jiǎn)化為圖1－b或圖1－d的情形，隔震結(jié)構(gòu)就是在傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增加了一個(gè)可以隔離地震的裝置。從以上的分析可知，隔震裝置主要由滾珠、彈簧和阻尼構(gòu)成，滾珠的作用是在豎向支撐建筑物，而在水平向可以自由滑動(dòng)，彈簧對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位，阻尼消減振動(dòng)的幅度。其中，彈簧和阻尼的大小會(huì)影響減震的效果。假設(shè)圖12d中

7、的阻尼很小，就相當(dāng)于圖1－c的情形，建筑物會(huì)在彈簧恢復(fù)力的作用下一直振動(dòng)下，這對(duì)上部結(jié)構(gòu)非常不利。當(dāng)阻尼增加非常大時(shí)，并非有利于減震的效果。三、建筑隔震橡膠支座的基本特性三、建筑隔震橡膠支座的基本特性經(jīng)過行業(yè)內(nèi)多年的研究和試驗(yàn)積累，目前行業(yè)內(nèi)對(duì)建筑隔震橡膠支座有了一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)和了解，建筑隔震橡膠支座主要有以下幾個(gè)基本特性[2]：1、豎向變形特性、豎向變形特性建筑隔震橡膠支座只承受豎向純壓縮載荷時(shí)，豎向載荷位移曲線顯示出彈簧特性，在

8、設(shè)計(jì)面壓載荷范圍內(nèi)近似為線性關(guān)系。普通橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座的豎向變形特性基本一致，鉛芯橡膠隔震支座豎向加載時(shí)，鉛芯基本不承受豎向壓力。2、水平變形特性、水平變形特性普通橡膠隔震支座當(dāng)設(shè)計(jì)豎向壓力恒定時(shí)，水平載荷位移曲線接近線性，滯回曲線的等價(jià)阻尼比約為1%～3%。對(duì)于鉛芯橡膠隔震支座，當(dāng)設(shè)計(jì)豎向壓力恒定時(shí)，水平載荷位移滯回曲線輪廓呈菱形，滯回曲線的等效剛度隨水平位移增大而降低，等價(jià)阻尼比則趨于常數(shù)，可達(dá)20

9、%以上，吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能，鉛棒的溫度會(huì)有一定升高。對(duì)于高阻尼橡膠隔震支座，水平載荷位移滯回曲線輪廓呈梭形，等價(jià)剛度隨著水平位移的增加而逐漸減小，在變形較大的區(qū)域內(nèi)，等價(jià)阻尼比表現(xiàn)為定值，通?？蛇_(dá)到l0～20%。3、拉伸性能、拉伸性能在地震時(shí)，工程結(jié)構(gòu)物或建筑物可能會(huì)產(chǎn)生較大搖擺，建筑隔震橡膠支座就會(huì)產(chǎn)生較大的水平剪切變形，某些橡膠支座的橫斷面可能就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。所以建筑隔震橡膠支座必須具有一定的受拉承載能力，才能確保建筑結(jié)構(gòu)物在地震

10、的多維地面運(yùn)動(dòng)綜合作用下，隔震橡膠支座不拉斷始終保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，發(fā)揮隔震功能。綜合國內(nèi)外行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及建筑結(jié)構(gòu)物的實(shí)際設(shè)計(jì)需要，一般情況下，建筑隔震橡膠支座的設(shè)計(jì)容許拉伸應(yīng)力以不大于2.0Mpa為宜。4、剪切特性相關(guān)性、剪切特性相關(guān)性建筑隔震橡膠支座的剪切特性主要體現(xiàn)在不同工況下的水平等效剛度變化特性，與設(shè)計(jì)壓應(yīng)力、設(shè)計(jì)剪應(yīng)變、加載頻率、反復(fù)加載次數(shù)以及本體溫度有關(guān)。在通常情況下，建筑隔震橡膠支座的剪切特性符合以下規(guī)律：1）建筑隔震

11、橡膠支座的水平等效剛度一般會(huì)隨著設(shè)計(jì)壓應(yīng)力的增大略有降低，在壓應(yīng)力超過一定值（如10Mpa）時(shí)，變化幅度更小，在工程應(yīng)用上基本忽略不計(jì)；2）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會(huì)隨著剪應(yīng)變的增大而降低，當(dāng)剪應(yīng)變很大時(shí)（如超過300%），水平等效剛度又會(huì)有所提高；3）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會(huì)隨著加載頻率的提高而略有提高，但變化微小，在工程上基本忽略不計(jì)；4）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會(huì)隨著水平反復(fù)加載次數(shù)的增加略有減小，

12、但變化值微小，在工程上也基本忽略不計(jì)；5）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會(huì)隨著橡膠支座本體溫度的升高而降低，但在不同的剪應(yīng)變情況下變化程度有所不同。5、耐久性、耐久性建筑隔震橡膠支座布置于隔震建筑的基礎(chǔ)隔震層，需要經(jīng)過50～100年（甚至更長(zhǎng)時(shí)間）的使用，經(jīng)歷長(zhǎng)期恒定載荷、多次地震沖擊荷載，以及環(huán)境大氣的長(zhǎng)期作用，仍需保持符合要求的承載力、回彈性、剛度、阻尼等力學(xué)性能。耐久性的目標(biāo)是確保建筑隔震橡膠支座的正常使用壽命不低于工程結(jié)構(gòu)本