土木工程隔震方法綜述

康紀(jì)平　馬燕

摘 要：目前工程常見(jiàn)的隔震系統(tǒng)有疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)、滑移支座隔震系統(tǒng)、套管樁隔震系統(tǒng)、彈簧隔震系統(tǒng)、擺動(dòng)隔震系統(tǒng)。文章將對(duì)疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)和滑移支座隔震系統(tǒng)進(jìn)行概述

關(guān)鍵詞：隔震；橡膠支座；滑移支座

隔震、耗能減震與其他結(jié)構(gòu)控制技術(shù)能為結(jié)構(gòu)控制提供有效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、可靠的抗震新方法。隔震技術(shù)是采用一種特殊的措施來(lái)隔離地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，使建筑物在地震時(shí)只產(chǎn)生很小的振動(dòng)，不致造成結(jié)構(gòu)和設(shè)施的破壞，并能保證結(jié)構(gòu)物上的重要設(shè)備和儀表正常運(yùn)行。

1 隔震系統(tǒng)概述

1.1 疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)。疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)是目前工程中最常用的隔振系統(tǒng)，該支座是由一層層的薄鋼板和橡膠相互疊置，經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的硫化工藝粘合而成，其結(jié)構(gòu)、配方、工藝需要特殊的設(shè)計(jì)，屬于一種橡膠厚制品。隔震橡膠支座的力學(xué)性能如下：第一，受壓性能。隔震橡膠支座的受壓性能的縱向承載能力比橡膠自身大得多，與同樣截面的鋼筋混凝土柱子相當(dāng)。第二，受拉性能。隔震橡膠支座受拉時(shí)的彈性剛度只有受壓時(shí)的1/10左右。多層橡膠經(jīng)過(guò)較大的受拉變形后再壓縮時(shí)，受壓剛度降低為初期剛度的1/2左右。第三，耐久性。隔震橡膠支座的耐久性能取決于橡膠。采用耐久性能好的橡膠作保護(hù)層，以NR表面覆CR和聚四氟乙烯的橡膠符合支撐體的耐久性可長(zhǎng)達(dá)100年。因此，隔震橡膠支座作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其耐久性能與建筑物壽命相當(dāng)。常用的橡膠隔震支座有：天然橡膠支座（NB，Nature Rubber Bearing）、鉛芯橡膠支座（LRB，Lead plug Rubber Bearing）、高阻尼橡膠支座（HDB，High Damping Rubber Bearing）等。

1.1.1 天然橡膠支座。天然橡膠支座由連接鋼板、橡膠層和夾層鋼板組成。其基本性能如下：第一，天然橡膠支座豎向承載能力。支持垂直承載力和天然橡膠軸承基本相同；第二，天然橡膠支座的水平變形能力。天然橡膠支座的水平變形能力也很出眾，剪切變形達(dá)到300%仍能保持穩(wěn)定.無(wú)故障，因此，其抗震能力不錯(cuò)；第三，天然橡膠支座的復(fù)位能力。天然橡膠支座具有優(yōu)良的變形能力與復(fù)位能力；第四，天然橡膠支座的耐久性。RB軸承使用lO年后，其性能保持不變，并預(yù)計(jì)只有3%在60年后下降性能。

1.1.2 高阻尼橡膠支座。國(guó)產(chǎn)高阻隔震橡膠支座按照國(guó)標(biāo)GB20688設(shè)計(jì)的產(chǎn)品又稱(chēng)HDR支座，它是在天然橡膠中加入各種配合劑，用來(lái)提高橡膠的阻尼性能（增加滯后損失，降低其儲(chǔ)存模量），然后利用這種具有阻尼效果的橡膠制成的與普通橡膠支座結(jié)構(gòu)近似的一種鋼板和橡膠通過(guò)熱硫化構(gòu)成的疊層產(chǎn)品。該產(chǎn)品隔震性能好，適用范圍廣，是一款性?xún)r(jià)比較高的新型橋梁和房屋建筑產(chǎn)品。因其加工制造工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品力學(xué)性能可靠，在5.12大地震之后得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。高阻尼橡膠支座有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，豎向承載力、水平恢復(fù)力、阻尼（吸能）三位一體；第二，支座滯回特點(diǎn)（載荷-變形曲線）飽滿、耗能顯著；第三，橡膠配方改進(jìn)、等效阻尼比可達(dá)12%以上；第四，維修管理成本低（無(wú)需其他阻尼裝置）；第五，大震后殘余變形極小，無(wú)需更換；第六，高阻尼支座表面覆蓋有橡膠保護(hù)層，保護(hù)內(nèi)部橡膠不受臭氧、紫外線影響，具有更好的耐老化性，50年等效阻尼比降低不到2%；第七，HDR高阻尼橡膠的溫度依存性較低，廣泛用于不同氣候地區(qū)；第八，HDR高阻尼橡膠與天然橡膠一樣擁有比較優(yōu)越的蠕變性能；第九，環(huán)保無(wú)污染。

1.2 滑移支座隔震系統(tǒng)。基礎(chǔ)滑移隔震是把建筑物上部結(jié)構(gòu)做出一個(gè)整體，在基礎(chǔ)部位設(shè)置低摩擦的滑移元件和限位元件等，通過(guò)相對(duì)滑移和摩擦耗能有效限制地震能量向上部建筑傳遞和下部反饋。摩擦滑移裝置承擔(dān)上部建筑的全部荷載，而限位機(jī)構(gòu)僅提供水平向的限位作用，此外還可安裝阻尼器等耗能裝置。因其安全可靠、造價(jià)低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用受到了工程界的一致認(rèn)可。研究表明，滑移隔震技術(shù)能大大地降低房屋上部結(jié)構(gòu)的地震作用，起到良好的隔震效果，真正做到房屋在罕遇地震下“大震不倒”?；A(chǔ)滑移隔震支座的構(gòu)造、材料是隔震系統(tǒng)效率高低的關(guān)鍵。目前常用的滑移隔震支座有：砂墊層隔震支座，石墨墊層滑動(dòng)支座，鋼珠、輥軸滾動(dòng)支座，聚四氟乙烯滑板摩擦支座，回彈滑動(dòng)支座，滯變-摩擦基礎(chǔ)隔震支座，直線式滑動(dòng)支座等。

1.2.1 砂墊層隔震支座。砂墊層隔震減震是利用基礎(chǔ)底面和地基之間一定厚度砂土墊層的大阻尼、易于流動(dòng)耗能顯著及界面相對(duì)滑移的特性，實(shí)現(xiàn)在地震作用下減輕上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的振動(dòng)控制。砂墊層隔震屬于褥墊層隔震的范疇，在建筑物基礎(chǔ)和地基之間鋪設(shè)一定厚度、密實(shí)度和含水量的砂墊層，來(lái)控制地面運(yùn)動(dòng)向上結(jié)構(gòu)的傳遞，既要滿足建筑物的功能性、使用性、安全性的要求，又要在遇到大地震作用時(shí)，保證建筑物不倒塌，從而達(dá)到抗震設(shè)防的目的。研究結(jié)果表明：第一，砂墊層水平剛度較大，多遇地震作用下不能有效地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期、遠(yuǎn)離地震動(dòng)的卓越周期，但通過(guò)砂墊層滯回耗能能夠減輕上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，一定程度會(huì)出現(xiàn)加震的現(xiàn)象；第二，在罕遇地震作用下通過(guò)墊層和基礎(chǔ)界面相對(duì)滑移與砂墊層滯回耗能能夠有效地降低上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；第三，砂墊層隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及隔震效果主要取決于砂墊層的土動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)（厚度、面積、砂墊層土體剪切模量、密度、接觸面滑移系數(shù)等）和上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征（質(zhì)量、阻尼、剛度）；第四，隨著砂墊層厚度的增加，隔震效果會(huì)增加，但不顯著；隨著砂墊層滑移系數(shù)增加，隔震效果劣化；隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增加，砂墊層隔震效果顯著增加。

1.2.2 石墨墊層滑動(dòng)支座。石墨膏泥是較為理想的一種低摩阻滑移材料，一般摩擦系數(shù)為0.23，造價(jià)低、耐壓力大、耐久性好、滑移性能穩(wěn)定。由此作為摩擦滑移材料的構(gòu)成的隔震系統(tǒng)造價(jià)低，特別適用于我國(guó)量大面廣的砌體房屋。試驗(yàn)與理論研究都表明了在大地震時(shí)，隔震層的構(gòu)造確實(shí)能大大提高多層磚房的抗震性能。石墨墊層隔震系統(tǒng)總體隔震效果好，工程造價(jià)低，特別適用于我國(guó)量大面廣的砌體房屋。但存在設(shè)計(jì)、耐久性、震后復(fù)位等問(wèn)題。

2 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了兩種隔震系統(tǒng)，并概述其隔震性能及優(yōu)缺點(diǎn)。不過(guò)，這些隔震方法的應(yīng)用有的并不是單一的，因此在選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑物抗震的需求以及其他條件，合理選用。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁攀攀.國(guó)內(nèi)建筑隔震橡膠支座的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].橡膠工業(yè)， 2009（8）：506-510.

[2] 黃永林，孫建國(guó).8級(jí)大地震安全性與隔震設(shè)計(jì)[A].中國(guó)八級(jí)地震研究及防震減災(zāi)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京：地震出版社，2001：264-269.

[3] 楊林，周錫元，蘇幼坡等.FPS 摩擦擺隔震體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究與理論分析[J].特種結(jié)構(gòu)，2006，22（4）：43-46.

[4] 于清溪.橡膠建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀與展望（下）[J].橡塑技術(shù)與裝備，2005，31（4）：5-12.

[5] 日本建筑學(xué)會(huì).隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：地震出版社，2006.

[6] 孫德斌，王嶸榕.基礎(chǔ)隔震天然橡膠支座[J].考試周刊，2014（15）：196.

[7] 高阻尼支座應(yīng)用介紹[Z].衡水興邦工程橡膠有限公司，2013-07-20.

[8] 蔡康鋒.滑移隔震技術(shù)及其在村鎮(zhèn)建筑中的推廣應(yīng)用研究[D].安徽理工大學(xué)，2012.

[9] 李海濤.村鎮(zhèn)建筑砂墊層隔震性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[10] 劉大榕.基于反應(yīng)譜理論的并聯(lián)基礎(chǔ)隔震和砂墊層隔震研究[D].南京：河海大學(xué)，2007.

作者簡(jiǎn)介：康紀(jì)平（1993.07- ），女，漢族，四川瀘縣人，西南科技大學(xué)土木工程本科在讀；馬燕（1993.08- ），女，四川達(dá)州人，西南科技大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)2012級(jí)本科在讀。