建筑物用減震支座的使用現(xiàn)狀與未來(lái)

武愛(ài)軍, 韓 燕 編譯

（中國(guó)石油蘭州化工研究中心, 甘肅 蘭州 730060）

建筑物用減震支座的使用現(xiàn)狀與未來(lái)

武愛(ài)軍, 韓 燕 編譯

（中國(guó)石油蘭州化工研究中心, 甘肅 蘭州 730060）

摘 要:文中綜述了抗地震領(lǐng)域的最新科技進(jìn)展和未來(lái)的發(fā)展前景。以2011年日本“3?11”大地震為例，介紹了抗地震技術(shù)在大地震中發(fā)揮的非常有效的作用。

關(guān)鍵詞:減震；橡膠支座；阻尼器

0 前 言

2011年3月11日發(fā)生的9.0級(jí)東日本大地震，是進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)世界上發(fā)生的巨大地震之一。由于橡膠材料具有獨(dú)特的性能，因而被廣泛應(yīng)用于減震系統(tǒng)（裝置）中，它在歷次大地震中均發(fā)揮了極大的作用。文中就橡膠減震技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)進(jìn)行了闡述。

1 減震系統(tǒng)（裝置）

減震系統(tǒng)由減震用疊層橡膠（減震橡膠）、阻尼器（鉛阻尼器、鋼阻尼器、油阻尼器等）、滑動(dòng)支撐等幾個(gè)部分組合而成。其基本原理是利用了橡膠的低剪切模量和高體積彈性模量。即，直接將橡膠塊置入建筑物的地基中，橡膠塊縱向下沉，橫向呈圓鼓狀膨脹。如果把鐵板埋入橡膠中，形成多層（夾層）結(jié)構(gòu)，使橡膠與鐵板粘合成為一個(gè)整體，就可以使之受到抑制，獲得低剪切模量和高承重支撐能力?？杀碚鳒p震橡膠特性的參數(shù)有1次形狀系數(shù)（受壓面積/自由面積）S1、2次形狀系數(shù)（直徑/橡膠部分的總厚度）S2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常S1約為30，S2約為5.0。

將減震橡膠系統(tǒng)設(shè)置在建筑物的地基部位，地震就不會(huì)直接傳遞給建筑物，可以緩和建筑物上面樓層的晃動(dòng)，延長(zhǎng)建筑物搖晃的周期。在通常情況下，地面的震動(dòng)會(huì)直接傳遞給建筑物，樓層越高，搖晃的幅度越大。從物理方面講，用頻譜儀分析地震波時(shí)，由于減震橡膠具有較低的剪切模量，它能夠長(zhǎng)時(shí)間保持整個(gè)建筑物的固有頻率，從而使建筑物僅受到地震波長(zhǎng)周期部分的影響。通常地震波的頻譜在1s周期以?xún)?nèi)形成波峰，如果此時(shí)置入減震橡膠，建筑物的固有周期為3～5 s，這樣就有可能避免由地震造成的搖晃。但是，這樣同時(shí)會(huì)使建筑物所承受的加速度降低，因此搖晃變得緩慢。地震時(shí)建筑物里的人員會(huì)承受船舶在大海里搖晃一樣的感覺(jué)。

減震橡膠大致可分為3種，圖1為以天然橡膠為主體的減震橡膠，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，外層包覆橡膠為耐候性好的乙丙橡膠（EPR）等。（b）為其特性實(shí)例，橫坐標(biāo)為位移，縱坐標(biāo)為應(yīng)力。一般減震橡膠通常載荷為10～15 MPa，也就是說(shuō)，每一平方米可承重1000～1500 t，設(shè)計(jì)使用年限為60年。圖1（b）為天然橡膠制疊層橡膠（LNR）減震實(shí)例，基本上沒(méi)有滯后損失，通常根據(jù)不同的使用目的與油阻尼器、鉛阻尼器、鋼阻尼器等共同組成減震系統(tǒng)。另外，如圖2所示，在中心插入鉛芯棒制成的減震橡膠（LBR），其特性如圖2（b）所示具有滯后損失。因此，LBR可以不使用阻尼器。這種減震器經(jīng)常用于橋梁減震，因?yàn)闃蛄荷蠜](méi)有多余的位置來(lái)設(shè)置阻尼器。但是，大量使用鉛會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大影響。再如圖3所示，人們還開(kāi)發(fā)出自身具有高衰減性的減震橡膠（HDR）。但是HDR的滯后損失如圖3（b）所示，它對(duì)振幅、頻率和溫度均具有依賴(lài)性，像實(shí)際的地震中。它可以三維位移，由于位移和應(yīng)力的相位不同，故在使用時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行充分的研究。在高衰減橡膠中使用了不同的混煉膠以及充填了納米級(jí)填充劑的膠料。

圖1 疊層天然橡膠支座（LNR）的模型圖（a）和特性實(shí)例（b）

圖2 插入鉛芯棒的疊層天然橡膠支座（LBR）模型圖（a）和特性實(shí)例（b）

圖3 高衰減疊層橡膠支座（HDR）模型圖（a）和特性實(shí)例（b）

圖4 疊層減震橡膠的壓縮剪切試驗(yàn)裝置（a）和試驗(yàn)中的減震橡膠（LNR）（b）

使用減震橡膠的建筑物，以及土木業(yè)界應(yīng)以實(shí)物試驗(yàn)為依據(jù)，實(shí)驗(yàn)室里的模擬試驗(yàn)最終只能作為參考。因此，在減震橡膠的試驗(yàn)裝置上應(yīng)能夠檢測(cè)如同實(shí)物一樣大小的減震橡膠的特性，且必須能夠壓縮剪切。圖4所示的是一個(gè)實(shí)例。該大型油壓式裝置最大壓縮負(fù)荷為3200 t，水平最大負(fù)荷為1000 t，垂直方向最大拉伸負(fù)荷為1000 t，水平方向最大沖程為±1000 mm，該裝置高度約為9.8 m，深度14 m。圖4（b）是直徑為1 m的減震橡膠壓縮剪切試驗(yàn)裝置，減震橡膠的側(cè)面產(chǎn)生棱條狀形變，在其內(nèi)部許多鐵板精確地與橡膠疊合在一起。對(duì)于該試驗(yàn)裝置來(lái)說(shuō)，要求其垂直方向上有拉伸負(fù)荷能力，這是因?yàn)樵诔邔咏ㄖ锏目拐疬^(guò)程中，建筑物會(huì)發(fā)生傾斜，所以必須假設(shè)減震橡膠會(huì)受到拉伸負(fù)荷的作用。

2 減震系統(tǒng)的耐久性

人們期望減震系統(tǒng)的壽命要達(dá)到60年，這樣人們最關(guān)注的問(wèn)題應(yīng)是減震橡膠的耐久性。在日本，從開(kāi)始使用減震橡膠至今還沒(méi)有超過(guò)30年，對(duì)60年后的情況只能進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了獲得參考數(shù)據(jù)曾進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)。例如，取出使用了近10年的橋梁支座和建筑物用減震橡膠，研究這些實(shí)物減震橡膠隨年份的變化。圖5（a）為日本櫪木縣的一座大橋，其全長(zhǎng)246.3 m，共有6個(gè)橋墩。在橋墩與路面之間設(shè)置了如圖5（b）所示的橋梁用減震橡膠支座（HDR）各2個(gè)（長(zhǎng)為1520 mm，寬為970 mm，高為277 mm）。橡膠層數(shù)為8層，橡膠層間的厚度為18.7 mm。它是日本初次使用HDR的橋梁，于1992年完工。2002年（約使用10年后）從中取出2塊減震橡膠，再向支座中放入新的減震橡膠塊。隨后，測(cè)定了取出的減震橡膠的剪切剛度、衰減常數(shù)、壓縮彈性等特性，通過(guò)比較隨年份的變化，發(fā)現(xiàn)剪切剛度約上升了3.8%，其他性能在尚允許范圍內(nèi)，基本上沒(méi)有發(fā)生變化。另外，在壓縮剪切破壞試驗(yàn)中，壓縮模量為456%，伸長(zhǎng)約700 mm，與初始性能比較也沒(méi)有變化。用金剛石刀具將減震橡膠切碎（作為試樣），研究從橡膠表面到內(nèi)部的性能（拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、微觀硬度等）。結(jié)果表明，從表面到深20 mm左右處性能略有變化，但是在其內(nèi)部基本上與新減震橡膠一樣沒(méi)有變化。從名古屋某公寓下面取出了2塊直徑為700 mm的建筑物用減震疊層橡膠支座，并對(duì)其進(jìn)行了研究，結(jié)果相同，僅僅剪切剛度大約上升了5.5%，其他性能上基本沒(méi)有變化。從減震橡膠的表面到其內(nèi)部基本上看不到什么變化。這可能是因?yàn)榻ㄖ餃p震用疊層橡膠設(shè)置在日光照射不到的建筑物的基礎(chǔ)部位之故。

圖5 日本櫪木縣某大橋（a）和大橋下設(shè)置的橋梁用減震橡膠支座（HDR）（b）

3 減震系統(tǒng)（裝置）

減震系統(tǒng)是指利用建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)使進(jìn)入建筑物中的地震能量衰減，防止增幅，從而減輕建筑物震動(dòng)的裝置。從物理意義上講，可以考慮采用建筑物內(nèi)部安裝的能量吸收機(jī)構(gòu)來(lái)減少進(jìn)入建筑物的地震能量。為此，可以使用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)之，在多半情況下可使用油阻尼器，但也有利用橡膠材料黏彈性的方法。就橡膠材料而言，高衰減橡膠可用于建筑物的支撐部分與柱子之間，以吸收使建筑物發(fā)生搖晃的能量。此時(shí)，如同減震橡膠一樣，橡膠材料不僅僅可支撐載荷，對(duì)于剪切變形和拉伸變形來(lái)說(shuō)，只要表現(xiàn)出減震性能即可，對(duì)材料的限制比較寬松。因此，減震材料的地震頻率、振幅范圍內(nèi)的力學(xué)損耗系數(shù)tan δ要大，而對(duì)溫度的依賴(lài)性（例如0～40 ℃）要小。

雖然，目前減震橡膠多半使用于超高層大樓，（最高為47層）但人們傾向于在比這更高的超高層大樓等建筑物也使用減震系統(tǒng)。另外，減震系統(tǒng)還可以在施工完成后安裝，因此，減震系統(tǒng)在普通大樓、居民住宅中也開(kāi)始逐漸普及。目前尚無(wú)有關(guān)減震系統(tǒng)的JIS和ISO標(biāo)準(zhǔn)，希望今后能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié) 論[1]

在2011年“3·11”東日本大地震中，實(shí)際驗(yàn)證了減震系統(tǒng)的有效性。今后的研究課題是條件更加苛刻的核電站的減震、精密儀器較多的半導(dǎo)體工廠和高科技工廠的減震以及三維減震等。另外，在今后的大地震中如果發(fā)現(xiàn)減震橡膠出現(xiàn)問(wèn)題，相應(yīng)的ISO和JIS也要隨之改進(jìn)，這對(duì)今后的推廣和普及很重要。例如，中國(guó)已翻譯了ISO 22762標(biāo)準(zhǔn)，并于2010年制定了減震橡膠的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在2008年的四川汶川大地震中，已實(shí)際驗(yàn)證了減震橡膠的有效性，所以減震建筑物得以快速地普及。據(jù)悉，至2011年末，已建成了2500棟具有減震功能的大樓。又如，昆明新國(guó)際機(jī)場(chǎng)的所有建筑物已實(shí)現(xiàn)了整體減震。未來(lái)，日本的減震建筑數(shù)量可能會(huì)被中國(guó)所超越。

參考文獻(xiàn)：

[1] 西敏夫. 免震·制震システムの現(xiàn)狀と將來(lái)[J]日本ゴム恊會(huì)誌. 2012(4)：13-18.

[責(zé)任編輯：鄒瑾芬]

埃克森美孚新加坡丁基橡膠和氫化石油樹(shù)脂工廠奠基

?？松梨?0月21日在其新加坡化工廠舉行奠基儀式，開(kāi)始興建兩套新的特種聚合物生產(chǎn)裝置。埃克森美孚不斷致力于提供多種化工產(chǎn)品，推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，該項(xiàng)目再次體現(xiàn)了公司的這一宗旨。

就在10個(gè)月前，?？松梨趧倓倯c祝了在新加坡的大型石化擴(kuò)建項(xiàng)目順利建成投產(chǎn)。10個(gè)月后的今天，公司將開(kāi)始在裕廊島的工廠興建新的鹵化丁基橡膠和氫化石油樹(shù)脂生產(chǎn)設(shè)施。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)2017年完工，屆時(shí)將新增大約140個(gè)工作崗位，而目前這一一體化生產(chǎn)基地?fù)碛?000多名員工。

“我們?cè)谛录悠聰U(kuò)建的蒸氣裂解裝置為多種石化基礎(chǔ)原料提供了一個(gè)增長(zhǎng)平臺(tái)，這些石化基礎(chǔ)產(chǎn)品可進(jìn)一步加工成特種產(chǎn)品，如鹵化丁基橡膠和粘合樹(shù)脂?！卑？松梨诨す靖呒?jí)副總裁錢(qián)甫仁說(shuō)。在奠基儀式上，錢(qián)甫仁補(bǔ)充道：“?？松梨谛录悠禄S擁有優(yōu)勢(shì)原料、規(guī)模效益以及卓越的物流，是滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的亞洲市場(chǎng)需求的理想生產(chǎn)基地?！薄斑@個(gè)新工廠再次體現(xiàn)了埃克森美孚的宗旨和承諾，即不斷加大在新加坡的投資，推動(dòng)我們的業(yè)務(wù)未來(lái)在本地區(qū)的增長(zhǎng)并提高我們的競(jìng)爭(zhēng)力?！卑？松梨趤喬珔^(qū)私人有限公司董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理顏少奇先生說(shuō)，“我們決定在本地區(qū)擴(kuò)大運(yùn)營(yíng)規(guī)模，這也是我們認(rèn)可新加坡在全球貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中長(zhǎng)期重要作用的有力證據(jù)?！薄拔覀兎浅８吲d埃克森美孚在新加坡興建另一個(gè)世界級(jí)生產(chǎn)設(shè)施，這將滿(mǎn)足對(duì)鹵化丁基橡膠等具有可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求。這項(xiàng)投資也體現(xiàn)了?？松梨谂c新加坡的長(zhǎng)期合作關(guān)系。我們會(huì)繼續(xù)加深合作，抓住本地區(qū)新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。”新加坡經(jīng)濟(jì)發(fā)展局助理局長(zhǎng)林國(guó)強(qiáng)先生說(shuō)。

?？松梨谑侨蜉喬バ袠I(yè)鹵化丁基橡膠的主要供應(yīng)商，此次擴(kuò)建項(xiàng)目可增加14萬(wàn)t的年產(chǎn)能。氫化石油樹(shù)脂生產(chǎn)裝置將成為全球最大的同類(lèi)裝置，年產(chǎn)能90 000t，可滿(mǎn)足熱熔膠領(lǐng)域的長(zhǎng)期增長(zhǎng)需求。

（來(lái)源：中國(guó)橡膠信息貿(mào)易網(wǎng))

中圖分類(lèi)號(hào):TQ 336.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

文章編號(hào):1671-8232(2014)10-0053-04

收稿日期：2014-03-03