建筑結構隔震橡膠支座

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(山西建筑職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

引言

在雅安地震中，距震中區(qū)10 km處的蘆山縣城地震烈度為8～9度之間，該地區(qū)抗震設防烈度為7度，很多建筑遭受到不同程度的破壞，而蘆山縣人民醫(yī)院新建成的門診綜合樓卻幾乎完好無損。該建筑為框架結構，設計抗震設防烈度為7度，為澳門特別行政區(qū)援建項目。震后整個建筑的梁、柱、板等結構構件基本無損，建筑外立面不僅墻面沒有開裂，而且連瓷磚也幾乎沒有脫落，外窗玻璃也未震碎。也就是說，該建筑在7級地震的作用下，不僅整體結構保持完好，而且內部裝修、設備和外部裝修完好無損，在震后照常運轉，為及時救治傷員發(fā)揮了很大的作用。究其原因，主要是采用了橡膠隔震支座，消耗了大部分的地震能量，才使得上部結構免遭震害。

橡膠隔震支座的基本原理是通過在建筑物基礎與上部結構之間設置橡膠支座，使得地震作用下建筑物的自振周期能夠延長，可使建筑物在地震作用時的水平加速度降低50%～60%，從而減輕上部結構的地震作用效應，達到減小震害的目的。通常的做法是在下部結構(基礎)與上部結構(主體)之間設置隔震層來改變結構整體的動力特性。一般地震的振動周期大多在0.1～1 s之間，隔震支座因為水平剛度較小，可延長上部結構的振動周期至3 s以上，使建筑物因地震而產生的加速度反應大量減小，從而達到保護建筑結構物的目的。在地震作用下，橡膠片產生彈性變形，通過彈性位移吸收地震作用力，隔震支座中的鋼板層對橡膠層豎向變形起約束作用，使支座具有很高的豎向承載能力，同時又不影響橡膠的水平柔性，使得其有良好的水平變形能力和復位能力，從而提高建筑物的抗震能力。這種橡膠隔震支座體系在技術上已經基本成熟，應用方便，在建筑耗能減震領域前景廣闊。

1 隔震橡膠支座的基本特性

橡膠支座是由若干層薄橡膠板和若干層薄鋼板交替疊合，經高溫、高壓硫化而成。目前工程中使用的大部分為扁圓柱體形狀，如圖1所示。

圖1 橡膠支座構造

隔震橡膠支座中橡膠層與夾層鋼板緊密粘結，具有以下特性：

1.1 豎向承載能力特性

橡膠支座能有效地支承上部結構，即使在發(fā)生較大變形的情況下也能正常工作而不發(fā)生失穩(wěn)破壞。隔震橡膠支座中橡膠層與鋼板層緊密粘結在一起，上部結構自重及使用荷載產生的豎向力傳到支座時，橡膠板產生橫向變形，但同時要受到鋼板層的約束，使得橡膠層處于三向受力的狀態(tài)，而鋼板本身又是一種不可壓縮的材料，使得橡膠支座具有較強的豎向承載力和剛度。工程中常用的橡膠支座的豎向承載力一般在100 MPa以上，考慮到軸壓承載力安全系數(shù)，實際工程中其設計軸壓應力在15 MPa以上，作為建筑物的豎向支承絕對安全。

1.2 水平隔震特性

橡膠支座具有一定的水平剛度和變形能力，通過水平錯動，能延長整個結構體系的自振周期，削減地震能量向上部結構的傳遞。建筑物在小震水平力作用時，橡膠支座的初始剛度就可以確保建筑物的安全；在中、強震水平力作用時，橡膠支座的橡膠層產生水平錯動，同時產生內摩擦。隨著支座水平變形的增大，水平剛度有所降低。橡膠支座具有的水平力學性能，能為橡膠支座在正常工作狀態(tài)下提供必要的水平剛度，為上部結構的安全提供了保障。地震發(fā)生時，橡膠支座的水平剛度降低，使得隔震層形成剛度薄弱層，產生較大變形，上部結構同時產生的是平動，而不是普通建筑在地震作用下產生的擺動和扭轉效應，從而使得地震對上部結構的效應減小。

1.3 復位特性

橡膠支座具有一定的水平彈性恢復能力，使隔震結構體系在地震中具有瞬時自動“復位”功能。地震后，能使上部結構回到原來的狀態(tài)，滿足繼續(xù)使用的要求。

1.4 耐久性

橡膠支座是隔震的關鍵部件，材料本身必須具有良好的耐久性。橡膠支座的橡膠原料采用耐氧化和耐疲勞的氯丁、天然橡膠或三元乙丙橡膠，鋼板采用精軋不銹鋼板，使之具有很好的耐老化性能和抗疲勞性能。一般民用建筑的設計基準期為50年，橡膠支座在合理使用、合理維護的情況下，其耐久性能應至少大于建筑物的設計基準期。

2 隔震橡膠支座的制造工藝

2.1 材料的選擇

根據(jù)隔震支座的使用要求，主體材料為性能較好的天然橡膠，應滿足以下幾個方面的要求：

(1)橡膠材料的抗撕裂性要好，伸長率要大。

(2)橡膠層與鋼板層的粘合性能要好。

(3)厚度較大的隔震墊需長時間硫化，橡膠不能發(fā)生硫化返原現(xiàn)象。

(4)支座中心的鉛棒純度要高，可以提高橡膠支座早期的剛度，這樣在水平位移下可以起到阻尼的作用。

2.2 橡膠支座的制造工藝

制造工藝是隔震橡膠支座能夠在工程中可靠工作的關鍵。支座由多層橡膠與多層鋼板疊層組合，經各工藝程序制成，能夠滿足較高的力學性能要求。實際工程中對抗震隔震墊性能的要求高，故其工藝要求特別高，任何一道工序不嚴謹，都會造成橡膠墊力學失穩(wěn)，從而失去隔震作用。橡膠支座在工藝方面需要注意以下幾個方面：

(1)產品不能過硫，更不能欠硫。

(2)內部膠層的厚度要均勻。

(3)膠層內部不能有氣泡，否則會直接影響與鋼板的粘合性。

2.3 產品的制造工藝流程

隔震橡膠支座的制造工藝流程為：圓形膠片涂膠粘劑鋼板→組裝入模→模壓硫化→卸?！锌坠嚆U→測試→裝聯(lián)結板→檢查→刷保護層→標志→出廠。

3 隔震橡膠支座的安裝

3.1 下埋板的安裝

利用起重設備將預埋板吊運至設計部位；在可調螺栓對應的位置放置墊塊。根據(jù)所放軸線及控制線，調整下埋板位置，偏差須≯5 mm；調節(jié)可調螺栓，使下埋板位于同一水平面，并且埋板水平度≯3‰，水平度利用高精度水平尺在雙向同時進行檢查；用Φ≮14 mm的短鋼筋將下埋板錨筋與基礎豎向主筋焊接固定；在埋板固定牢固后，旋轉可調螺栓，取出墊塊。將螺栓連接孔用膠帶貼嚴實，防止混凝土進入。混凝土澆筑完畢，立即校核下埋板的水平度，如不滿足要求需立即進行調整。

3.2 安裝橡膠支座及上埋板

混凝土澆筑48 h后，用起重設備將橡膠支座本體吊到固定位置，按照廠吊點(連接板上預留的吊裝螺孔)安裝吊具，嚴禁使用連接螺孔起吊，以免對連接螺孔造成損傷；用高強螺栓將連接板牢固地與上、下預埋板連接，高強螺栓應對稱擰緊，擰緊過程分為初擰、復擰、終擰3個階段，并在同一天完成。

4 經濟效益分析

4.1 短期效益分析

據(jù)統(tǒng)計，公共類建筑物設防烈度每提高1度，將增加造價20%左右，使用隔震技術將節(jié)約這部分投資。購置隔震裝置的費用加上安裝費用占總投資的5%左右?？拐鹨?guī)范規(guī)定，采用隔震設計可以降低烈度，主體結構所承受的地震作用將減小，抗震等級也可能降低，這樣結構構件的截面尺寸、構件的配筋等也將減少，即混凝土和鋼筋用量均隨之減少，降低了結構的造價。同時，在采用隔震支座降低烈度后，建筑物的層數(shù)和高度可能增加，帶來直接的經濟效益。

據(jù)統(tǒng)計，非公共建筑在9度區(qū)采用隔震設計工程造價明顯降低；8度區(qū)工程造價略有降低或持平，但結構的可靠度明顯提高；在6度、7度區(qū)采用隔震設計，工程造價略有增加或持平，但結構的可靠度顯著提高。

4.2 長遠效益分析

從長遠的角度分析，即考慮未來該建筑可能遭遇較大地震的情況。傳統(tǒng)的建筑遭遇地震時，其經濟損失包括直接經濟損失和間接經濟損失兩方面。直接經濟損失是指地震后建筑物損壞需加固維修和重建的費用，間接經濟損失是指由地震造成的建筑物、設備和電力等損壞導致的不能正常工作和生產所帶來的經濟損失。地震所帶來的直接經濟損失是顯而易見的，而間接經濟損失也是非常巨大的，地震發(fā)生后的間接經濟損失往往大于其直接經濟損失。采用隔震技術后，建筑物在遭遇較大地震時，建筑及室內設備不損壞或輕微損壞，仍可繼續(xù)工作，從根本上避免或降低了直接經濟損失，同時有效地降低了間接經濟損失。隔震建筑具有傳統(tǒng)抗震建筑無法比擬的經濟效益。

5 隔震橡膠支座的發(fā)展前景

5.1 結構設計理論成熟

橡膠支座的結構設計已經有一套完整的計算理論，專業(yè)人員能夠根據(jù)橡膠支座的設計承載力、豎向剛度、水平剛度、阻尼比等力學性能的要求，通過理論計算，確定橡膠支座的有效承載直徑、鋼板厚度、橡膠板厚度、層數(shù)、支座高度等指標參數(shù)。

5.2 生產工藝技術穩(wěn)定

目前，我國已經能夠生產不同物理性能和力學性能要求的工程橡膠，有成熟的生產工藝和膠料配方，能夠滿足工程使用的要求。

5.3 構造簡單，施工方便

橡膠支座是由薄鋼板與薄橡膠板疊合模壓硫化而成，具有支承、復位、阻尼等功能，結構簡單。安裝時只要按豎向標高和平面位置與上下構件連接，便能進行施工安裝，十分方便。

5.4 應用范圍廣泛

隔振技術對多層和低層建筑物比較合適，在高層建筑中也有應用。橡膠支座可安裝在不同標高的位置上，并且遇到不均勻沉降時，橡膠支座仍能正常工作。

6 結語

建筑隔震橡膠支座是集支承、復位、阻尼等功能于一身的新型隔震裝置，橡膠材料的物理性能、支座的力學性能等均能達到工程要求，在豎向與水平地震作用下保持穩(wěn)定。支座設計理論成熟，安裝操作方便，是一種有效的隔震措施，具有良好的經濟效益和社會效益。但是，目前這種技術在我國的應用還具有一定的局限性，其原因主要是隔震墊價格較高，人們對這種技術認識不夠以及我國建筑的使用壽命較短，隔震墊的綜合效益得不到體現(xiàn)。相信隨著人們對隔震技術認識的不斷提高，橡膠隔震支座將對我國的建筑業(yè)帶來深遠的影響，其應用前景一片光明。

參考文獻：

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