建筑隔震橡胶支座介绍

建筑隔震橡胶支座的介绍
橡胶材料具有优异的阻尼特性，在工程技术和尖端科学中早已用其作减震制品。

根据“基础隔震”概念研发出来的隔震橡胶支座，使传统的、被动的“以刚克刚”的抗震方法，转变为主动的、积极的“以柔克刚”的隔震方法。

目前采用橡胶支座是世界上研究和应用最多、技术成熟并有成效显著实例的隔震技术。

1 隔震橡胶支座的种类、型号、规格
橡胶支座是由薄钢板和薄橡胶板交替叠合，经高温、高压硫化而成。

1.1 种类
隔震部件分为隔震支座（隔震器）和阻尼器两大类，前者稳定地支承建筑物自重和荷载，后者在地震时能抑制较大的变形，地震结束后起到迅速中止晃动的作用[1]。

橡胶支座目前尚未有统一的分类标准。

按截面形状分有方形（含正方形及长方形）和圆形两大类（见图1、图2）[2、3]。

由于圆形橡胶支座具有各向同性的优点，是目前应用的主要形式。

图1、方形橡胶支座剖面图2、圆形橡胶支座剖面
根据对橡胶支座阻尼比要求不同，目前国内外的橡胶支座分为下
列四种：
（1）标准叠层橡胶支座（MRB ）
普通叠层橡胶支座是用天然橡胶或氯丁橡胶制造的，通常把用天然橡胶制造的普通叠层橡胶支座又称为天然橡胶叠层橡胶支座或标准叠层橡胶支座[1、4]（见图3）。

这种支座具有高弹性，在水平方向上起弹簧作用，但阻尼性能较低，一般不单独使用。

为了满足隔震结构体系对阻尼值的要求，通常与外加阻尼器（消能装量）一起并用[2、4]。

图3、标准叠层橡胶支座结构示意图 图4、铅芯叠层橡胶支座结构示意图
（2）铅芯叠层橡胶支座（LRB ）
在普通叠层橡胶支座中心嵌入铅棒而成（见图4）。

铅棒单独使用不容易吸收能量，而利用周围叠层橡胶的约束力和铅棒的屈服应力较低的特点，使橡胶支座在受力终止时具有可恢复特性，提高其吸能效果及确保有适度阻尼，而且铅芯增加了橡胶支座的早期水平刚度，对控制风反应和抵抗地基微震动有利。

铅棒的直径应根据设计的阻尼值要求，通过计算确定[2]，其阻尼比一般可达20~30%，可以单独在隔震系统中使用[2、4]。

（3）高阻尼叠层橡胶支座（HD-MRB ）
这种支座采用高阻尼橡胶材料制造（见图5）。

高阻尼橡胶材料可以通过下列方法取得：①在天然橡胶配合中加入如石墨之类的碳元素物质；②采用高阻尼合成橡胶（或共混橡胶）或再添加石墨之类的配合剂。

可以根据石墨加入量来调节阻尼特性，一般阻尼比可达连接螺栓孔 端钢板 内部橡胶层 内部薄钢板 外部保护橡胶 铅芯 连接螺栓孔 端钢板 内部橡胶层 内部薄钢板 外部保护橡胶 中孔
10~15%[1、4]。

华中理工大学为高阻尼叠层橡胶支座合成的高分子材料，拉伸强度达20MPa，支座阻尼比可达25%。

这种橡胶支座兼有隔震器和阻尼器的作用，可在隔震系统中单独使用[2]。

高阻尼橡胶阻尼材料
图5、高阻尼叠层橡胶支座示意图图6、内包高阻尼体叠层橡胶支座示意图（4）内包阻尼体叠层橡胶支座（DRB）[4]
在橡胶支座中央部位设置圆柱体的阻尼材料，周边仍由叠层天然橡胶包围约束（见图6）。

这种橡胶支座的阻尼比约为15~20%。

这种橡胶支座在国内尚未见有应用的报道。

经过几十年的实践，人们对橡胶支座的隔震技术已取得共识。

为适应多种建筑结构的要求，除上述四种类型（均为粘结型）外，目前国内外已开发或正在开发的新型橡胶支座主要有：
（1）堆叠型（无粘结）叠层橡胶支座[2]
这是由华中理工大学研发的一种低成本橡胶支座（见图7）。

它所采用的橡胶材料与粘结型相同，但内部夹层钢板较厚，且直径比橡胶板大，与橡胶接触的钢板进行表面粗糙和防锈处理。

这种橡胶支座具
连接钢板
中间钢板
橡胶层
图7、堆叠型叠层橡胶支座
有生产工艺简单、检查方便、安装灵活等优点。

由于这种橡胶支座的橡胶板与钢板之间发生的滑移（一种摩擦现象），表现为完全弹性的恢复力特性，而且本身能吸收能量，较粘结型优越。

但这种橡胶支座的剪切变形率小（＜200%）且不适合用于有拉应力的隔震系统。

（2）弹性滑移橡胶支座[5、6]
弹性滑移橡胶支座可以看成由刚性部分（调整钢管），弹性部分（叠
图8、弹性滑移支座组成
层橡胶支座）和滑移面（摩擦及缝）串联组成的隔震装置（见图8）。

这种隔震装置在橡胶支座下端装有聚四氟乙烯滑块，在地震时橡胶层先发生变形，当支座所受的地震力超过滑动面水平屈服剪力时，滑动面开始滑动，支座的水平刚度变为零，可进一步延长结构的周期。

其承压可达150kg·cm-2，因此比普通产品体积小、节约空间、降低造价，既适用于中低层建筑，也适用于高层建筑。

这种支座已在日本仙台森大厦（60m高）和川崎41层大厦（127.75m 高）中应用。

（3）超高阻层橡胶支座[5]
这种支座采用特殊橡胶配方的超高阻尼橡胶制造，其隔震效果比目前市售产品提高20%以上，由于不用铅芯，减少了铅对环境的污染，有利于环保。

（4）内置螺旋弹簧的隔震橡胶支座[5]
这种支座用金属弹簧取代原来的铅芯，已用于桥梁支承方面（此
项技术已取得专利权）。

（5）低成本隔震橡胶支座[5]
这种支座具有低价位的优点，适合于单户型住宅。

（6）适用于高层建筑的隔震橡胶支座[5]
这种支座的特点是在橡胶材料中加有炭素等改进产品性能的原料（已申请专利），比普通产品的硬度更高，压缩变形及拉伸强度也有大幅度提高，承载荷重可达2000t（一般只1000t左右）。

产品直径可达1600mm，是目前最大规格的橡胶支座，可用于纵横比3~6，高度60~150m的高层建筑，被称为21世纪的新产品。

（7）不锈钢网或玻璃纤维取代钢板的橡胶支座[7]
这是联合国工业发展组织（UNIDO）资助的，“NR支座用于小型建筑物的地震保护”项目中，基于小型建筑物支承负载和载荷较轻的特点而开发的一种低成本橡胶支座。

1.2 规格型号
1.2.1 型号
根据我国建筑行业标准《建筑隔震橡胶支座》(JG 118—2000)，截面形状为圆形或矩形的建筑隔震橡胶支座可按中孔是否嵌入铅棒划分为普通型（无芯型）和有芯型两种。

其标志如下[8]：
□□△□
改型序号（顺序为“A、B、C……”）
主参数代号，圆形用直径（mm）表示，
矩形用长边×短边（mm）表示
特性代号：P——普通型；Y——有芯型
名称代号：GZ表示建筑隔震橡胶支座
目前两种型号的示例为：
（1）普通型（无芯型）
GZP400——表示直径为400mm的普通型建筑隔震橡胶支座；
GZP400×360A——表示边长为400×360mm，且经第一次改型的矩形建筑隔震橡胶支座。

（2）有芯型
GZY400——表示直径为400mm的有芯型建筑隔震橡胶支座；
GZY400×360——表示边长为400×360mm的矩形建筑隔震橡胶支座。

1.2.2 规格
目前国内建筑隔震橡胶支座主要为圆柱形，规格有φ200~φ1200mm。

其中φ200~φ400mm主要用于低层建筑物；φ400~φ800mm 主要用于多层建筑物，φ800~φ1200mm主要用于中高层建筑物。

日本建筑隔震橡胶支座最大规格达φ1600mm[5]，隔震建筑高达41层127.75m高[6]。

2 叠层橡胶支座隔震技术的成熟程度
目前国内外已经研究开发的各种隔震技术中，叠层橡胶支座隔震技术比较成熟。

根据周福霖院士的论述及其他有关资料[2、4]，橡胶支座隔震技术的成熟程度归纳起来主要体现在下列几方面：
（1）竖向承载力大，足够支承庞大建筑物的荷重
由于隔震橡胶支座中橡胶层和夹层钢板紧密粘结，当橡胶支座承受上部结构的自重及使用荷载时，夹层钢板对橡胶板的横向变形产生约束，而橡胶本身又是一种不可压缩的材料，必然使橡胶支座具有非常大的竖向承载力和竖向刚度。

根据云南省橡胶制品研究所和云南省地震工程研究院试验，云南省制造的橡胶支座极限承载压应力可达14.3-2
kN cm，分别为甲、乙、丙三类建筑竖向平均压应力（分别为P=10、12、15MPa）设计值的14、12、9.5倍，即其实际安全系数分别可达14、12、9.5，远远大于安全系数大于6的设计要求。

以中等硬度的φ400天然橡胶支座为例，设计承载能力为1100~1700kN，（P=10~15MPa），而实际极限承载能力可达16000kN，超过10倍之多，说明作为建筑物的支承部件是非常安全。

（2）水平刚度的可变特性和水平位移量大，可满足防震设计要求当强风或小地震时，橡胶支座的初始刚度足以确保建筑物屹立不动；在中强地震时，橡胶支座的水平刚度变小，橡胶层产生水平拉伸，变形较大，加上橡胶的滞后特性和变形时的内摩，以及铅芯的阻尼作用，支座起到了良好的隔震、耗能减震作用。

叠层橡胶支座的这种可变水平刚度特性，是其它隔震装置未能具备的。

试验表明，云南产品的水平极限变形能力达到JG118—2000标准规定的不小于橡胶层总厚度的350%的要求，也大于罕遇地震的设计要求。

（3）耐久性好，具有与建筑物同步的使用寿命
橡胶支座胶料采用优良的抗热氧化和抗疲劳剂配方，具有良好的抗大气老化和抗压缩疲劳性能，加上橡胶支座是大体积制品，其内部不易受环境降解作用的影响，本身耐老化性能比较优良。

国内外通过对橡胶支座及其胶料加速老化试验，以及实际调查和分析，认为橡胶支座中橡胶的老化只涉及周边部分，内部仍保持原形态，蠕变、松驰很小，且逐步趋于一个稳定值，实际使用可达80年以上，可以与建筑物使用寿命同步甚至超过。

在国外，已有桥梁橡胶支座使用超过100年而保持性能稳定的先例。

因此在正常使用、维护的条件下，完全能满足《建筑隔震橡胶支座》标准中规定的“具有不少于60年设计工作寿命”的要求。

（4）产品结构设计及生产工艺技术成熟可行，便于工业化生产
橡胶支座的承载能力、刚度和水平位移等力学性能取决于支座的结构、胶料性能及生产工艺。

经过国内外学者近30年的努力，橡胶支座的结构设计已经有一套比较可靠的计算公式，[2、4、7]，专业人员可以根据橡胶支座的设计承载力、极限承载力、竖向刚度、水平位移、极限水平位移、水平刚度、阻尼比等力学性能要求，计算、分析确定橡胶支座有效承载直径、夹层钢板厚度、橡胶板厚度、层数、支座高度及主要体现薄钢板对橡胶板约束能力的形状系数（也称形状因素）S1和主要反映橡胶支座在受压时稳定性的形状系数S2。

在生产工艺方面，专业人员完全可以根据橡胶支座对胶料物理机械性能要求，设计出低、中、高三种硬度的胶料配方，选择合适的热硫化胶粘剂，严格控制未硫化橡胶板的厚度、均匀度、装填量，以及硫化定型时的压力、温度、时间等工艺条件，便能生产出合格的产品。

（5）结构简单，安装方便
橡胶支座是由薄钢板和薄橡胶板交替叠合经模压硫化而成，中间嵌入铅棒。

这是一种集支承、弹性复位及阻尼于一体的隔震部件，结构比较简单。

安装时只要备齐上、下连接件（也称予埋件），采用法兰或定位连接，并按施工要求的标高定位，便能进行施工安装，十分简便。

（6）适应范围广，隔震效果显著
橡胶支座可安装在不同标高的位置上，并且受建筑物地基不均匀沉降的影响不明显，遇到不均匀沉降时，橡胶支座仍能正常工作[4]。

其明显的隔震效果已得到国内外的验证。

3 建筑隔震胶支座在工程中的应用
近四十年来，国内外专家学者对橡胶支座的隔震技术进行了大量的研究，从理论分析、试验验证到工程试点，以及经受实际地震的考验，已经有力地证明这项新技术的应用前景。

3.1 橡胶支座隔震技术的适用范围
橡胶支座具有隔震体系应该具备的承载、隔震、复位、阻尼消能四项特性，其优越性和技术的成熟，已受到各国广泛重视，经试验分析和多年的实践，橡胶支座隔震技术的适应范围极广，归纳起来，有下列几方面：
（1）中、强地震区的建筑物
采用“基础隔震”技术可以使建筑物免于或减少地震破坏，而且还可保护其内部设施以及人们的生命财产[2]。

橡胶支座隔震技术几乎可以适用于可能发生地震地区所有的建筑，主要有：[2、4、9]
①民用民居建筑：量大面广的一般建筑结构，包括住宅、办公楼、学校、宾馆、体育场馆等；
②重要工程结构：对政治、经济、社会有重要意义的建筑物和构筑物，包括情报中枢、原子能设施、危险品产储设施、军政指挥中心、战备仓库、急救中心、城市生命线工程（包括粮食加工、水电气供应设施、通信广播电视系统、医院等），交通枢纽、机场、港口、卫星地面站、海洋平台等；
③重要文化建筑：博物馆、美术馆、文物或档案馆、重要纪念性建筑等；
④高精技术设施：计算机房、精密加工工厂、精密检测中心场所等；
（2）无大地震地区建筑物[2、9]
主要是改善无大地震地区的居住性。

①平时地基处于微振动的建筑物
如果建筑物处于道路、铁路、地铁附近，当车辆通过时，地基会产生振动响应，居住者就会感觉到振动。

采用橡胶支座隔震以后，其建筑物的周期得以延长，一般处于1.0S以上的长周期区，可起到改善居住性的作用。

首都地铁复八线的住宅楼使用隔震橡胶支座，改善居
住性是其目的之一[10]。

②小地震地区的建筑物[1、2]
对于2—3级地震相当频繁，4级地震也较多的地区，居民也甚感不适。

采用隔震橡胶支座以后，由于建筑物处于较长周期范围内，反应加速度减少，即使发生小地震也可提高和改善居住性。

（3）旧建筑物的隔震加固及加层改造
对易受地震损坏的旧建筑物采用隔震橡胶支座进行隔震加固改造。

如美国盐湖城政府大厦（1988年）、旧金山政府大厦（1993年设计）、联合国大厦（1993年设计），以及新西兰惠灵顿的旧议会大厦和议会图书馆两座具有历史价值的砖石建筑物也于1995年完成隔震加固改造。

此外，我国广州（1996年）、太原（1997年）和杭州、上海也在加层改造中使用隔震橡胶支座[4]。

综上所述，橡胶支座隔震技术既适用于新建结构，也适用于原有结构的抗震加固及震后修复；既适用于一般的民用房屋，也适用于构筑物、桥梁、铁路及地铁沿线等土木工程；既适用于砌体结构，也适用于框架结构或混合结构；既适用于多层建筑，也适用于高层建筑。

此外还可用于加层及移位建筑中。

3.2 隔震橡胶支座的应用及效果
3.2.1 应用现状
橡胶支座最初用作桥梁支座（例如1889年澳大利亚墨尔本铁路桥使用单层的橡胶块和1957年伦敦Pelham桥使用的叠层橡胶支座），而在“基础隔震”技术中的应用，最早的例子是1966年美国的阿巴尼大楼和英国伦敦的奥尔巴尼六层公寓，主要是为了隔离来自地铁的振动。

真正作为实用的隔震结构的思想，始于1970年的法国[2]。

此后，新西兰（1981年，惠灵顿威廉克雷顿大楼）、日本（1982年，八千代家隔震住宅）、美国（1985年，福希尔法律司法中心）都先后采用橡胶支座的隔震技术，法国在原子能核电站结构中较多采用隔震技术，至今已在本土或在他国采用隔震橡胶支座的核电站近10座。

加拿大、智利、英国、希腊、冰岛、墨西哥、罗马尼亚、亚美尼亚、南非等国均已在
建筑物、桥梁、核电站这些重要结构中采用隔震橡胶支座[4]。

我国于上世纪60年代开始了“基础隔震”理论及应用技术的探索研究，80年代后期逐渐受到重视，进入90年代以后，我国建筑隔震橡胶支座的研究、开发、工程试点及实用方面已取得长足进步。

首先是汕头市利用联合国援助项目实施研发并于1993年建成我国第一座采用橡胶支座隔震的建筑物，之后，安阳、西昌、广州、澄海、岳阳、太原、咸阳、杭州、上海、乌鲁木齐、喀什、银川、北京、沈阳、昆明（含寻甸、东川、宜良）、大理（含洱源、祥云、鹤庆、弥渡）、普洱（含西盟、澜沧），以及红河州的石屏、建水，昭通市的巧家，西双板纳州的勐海等数百栋建筑物也采用了橡胶支座隔震。

其中1997年在太原建成的20层住宅楼（18000m2）是目前国内采用隔震橡胶支座层数最多的建筑物；最近在广州大学行政楼A栋（七层）使用249个φ800mm的隔震橡胶支座是目前国内单体楼面积最大的隔震工程；而昆明东川区泰隆华瑞大酒店（十三层）则是在要求抗震设防烈度不低于9度、设计基本地震加速度值不少于0.40g的高烈度设防地区建成的最高层隔震建筑物。

3.2.2 应用效果
使用隔震橡胶支座以后，有些隔震建筑物曾经受到强地震的考验，效果明显，已有资料作详细报道[12]。

突出例子有1994年1月17日美国洛杉矶发生里氏6.8级的北岭地震中，采用橡胶支座隔震技术的南加州大学8层楼医院未遭受破坏，在震后救灾及伤员救治中发挥了极大作用，而在震区内其余几座医院均因地震破坏而关闭；1995年1月17日日本阪神7.2级大地震，西部邮政大楼由于采用了橡胶支座的隔震技术，不仅整体结构良好，而且内部装饰、设备、仪器丝毫无损；我国汕头、大理、西昌的隔震建筑，分别经受7.3、6.5、7级大地震波及的影响，隔震建筑内的住户基本无震感，而一般建筑则晃动明显，住户震感强烈，说明采用橡胶支座的隔震技术已见成效。

3.3隔震橡胶支座在工程应用中必须重视的几个问题
橡胶支座具有竖向承载力和水平位移量大、隔震减震效果明显、
弹性复位功能强、使用寿命长、安全系数高、安装施工简便等优点，目前世界上“基础隔震”建筑物中，有80%以上采用隔震橡胶支座，国内则高达90%以上。

但在工程应用中还必须重视下列几方面问题。

（1）严格产品生产工艺，加强产品检测，确保产品质量
橡胶支座具有承担整个建筑结构物的支承作用及地震发生时的隔震功能，并且决定着建筑结构物近百年使用寿命的安全性，产品质量极其重要。

首先要严格制造工艺，原材料选用、胶料性能、粘结性能、胶板均匀度、装填量、硫化条件（温度、压力、时间）等必须严格工艺要求；其次产品出厂前必须按批量抽样进行力学性能检测，以消除这种具有“质量隐含性”产品的隐患，确保产品质量。

（2）完善检测手段，确保检测数据的准确性和科学性
橡胶支座生产厂家或橡胶产品质量检测站都具备有比较完善的胶料性能检测手段，但支座力学性能的检测由于需要几百甚至上千万元的设备投资，国内生产厂家都不具备，只能依靠专门的检测机构。

因此，选择检测手段比较完善的检测机构非常重要。

目前国内可供选择的专门检测机构只有2个，而且远离生产厂家，没法及时进行出厂前检测。

云南省地震局已着手研究建立试验检测实验室的可行性。

（3）重视研发，努力扩大应用范围
目前隔震橡胶支座的配方设计和制造工艺都比较成熟，但主体橡胶材料的选用需继续研究，如采用改性或与其它胶料共混的方式来提高天然橡胶的减震等性能、开展减震性能优越的其它高分子复合材料特别是高阻尼橡胶的应用研究等。

此外，为了适应新建结构和旧结构抗震加固的要求，适应网架结构建筑以及高速公路、铁路、地铁等沿线建筑物和水域建筑工程（包括海上石油开采平台）的需要，当前特别是要对适合城镇和农村住宅低成本橡胶支座的需要进行研究开发，扩大隔震橡胶支座的应用领域。

现已应用的橡胶支座对隔离地震的水平震动效果比较显著，而竖向震动效果不明显。

因此，研发水平和竖向隔震效果都比较理想的橡胶支座也是当今的研究课题。

（4）加强设计软件的研究，改变设计理念，推动新技术应用
抗震设计体系是工程抗震设计应考虑的关键问题。

传统的抗震技术是沿用“硬抗”的途径，即采用加强结构、加粗构件断面、加多构件配筋等方法来抵抗地震，既不经济，而且还由于结构刚度越大，地震作用越强，形成恶性循环，也不一定安全[4]。

相对于传统“以刚克刚”的建筑隔震方法，隔震橡胶支座技术却是“以柔克刚”。

但由于国内设计人员仍乐意以传统的抗震方式进行设计，加上目前建筑隔震橡胶支座的隔震结构动力分析设计程序（BIS）仍待完善，也影响其应用。

因此，必须在分析国内外设计程序的基础上，依据我国现行的相关标准，加强设计软件的研发，以便确立相对准确并结合各地区地震波特点的设计方法，并为设计人员所接受，改变他们的设计理念。

（5）改变把经济利益置于安全之上的观念
采用隔震橡胶支座以后，由于上部结构的地震反应比非隔震建筑大大减少，构造要求降低，上部结构的截面尺寸减小，上、下结构的用料也减少，其降低费用完全可以弥补因橡胶支座增加的费用，国内外已完成项目的造价分析完全证明这一点（一般可降低造价3-9%）。

但影响造价的因素很多，在中、低烈度地区有些由于房屋的结构、层数及施工设计的要求，造价略有增加（增幅约3-5%）。

尽管与许多豪华的室内装修相比，这样的成本并不高，但开发商或业主往往难以接受，忽视了“安全高于一切”的理念，因此，改变把经济利益置于安全之上的观念非常重要。

（6）加强政府主管部门对建筑工程“抗震设防”的管理
大地震是一种突发性、毁灭性的自然灾害，国家及各省市对防震减灾工作极为重视，已分别制订各种政策和法规。

因此，政府主管部门应加强对建设工程，特别是生命线工程“抗震设防”的管理，严格审查，指导实施，促进这一新技术在防震减灾工作中发挥更加积极的作用。

4 结语
我国属于多地震地区，据统计，全国要求抗震设防烈度6度以上
的县级以上主要城镇达1227个，其中8度280个，9度15个，说明我国建筑抗震设防的形势十分严峻。

采用建筑隔震橡胶支座进行隔震，是建筑物“防震减灾”的一项适用新技术，它为人类减轻地震灾害提供一条更加合理、有效、安全的新途径。