隔震技术概述

《结构抗震工程概论》

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隔震概述

摘要：传统的抗震设计方法是考虑结构的延性来耗散地震能量。但问题在于它是用结构承重构件本身来抵御地震，为了经济起见往往使承重构件在塑性阶段工作。这样受到一次强烈地震时，结构构件在利用它的延性和自身变形能力耗散地震能量的同时，自身机构也受到了破坏。为解决这个问题，在结构上附加各种耗能阻尼器，以吸收地震能量，减小结构地震反应，从而促进了工程减震技术的迅速发展。现在，以改变结构频率为主的隔震技术是结构抗震控制技术中研究和应用最多、最成熟的技术。

关键词：抗震设计、隔震技术、耗能阻尼器

1 前言

隔震主要是指在建筑结构地面以下部分设置隔震装置（或机构），以减弱地震动输入给地面以上结构的能量，减小结构振动而采取的一种结构抗震技术措施。

隔震的概念由来已久，早在我国古代人们已经懂得用蒸熟的糯米和石灰混合，利用具有柔性和衰减性能的糯米层对地震能量的吸收能力，对一些重要的建筑物基础进行处理，从而起到了隔震效果。在日本，人们也早已懂得利用增加强度和阻尼控制结构反应对结构物进行减震隔震处理，譬如，在7世纪和8世纪建成的法隆寺五重塔，就是该塔上部吊有象电线竿那样的长木竿，竿的自重对五重塔起到了预压力作用，提高了塔的抗弯能力，竿的下部置于比竿直径还大的圆筒形洞内，地震时五重塔振动的一部分能量被竿的振动所转移，竿犹如振子振动碰撞洞壁，使能量耗散（这种方法与近代许多控制系统所采用的原理一致）。

2 隔震简介与技术发展

2.1 隔震的必要性

工程结构在地震作用下会产生振动，过大的结构振动现象不仅会影响到结构物的正常使用，还会造成主体结构的破坏、甚至倒塌。有的虽然主体结构未破坏，但由于建筑饰面、装修或非结构配件、室内昂贵仪器、设备的破坏而导致严重的损失。传统的抗震设计都是通过提高结构构件的强度和变形能力来保证结构抗震安全性的，结构的抗力与其强度和变形有关，而强度和变形的乘积是衡量结构耗能能力的标志，但是将地震作用看成能量输入时，它是一个较稳定的量，主要是与结构的总质量和基本自振周期有关，在传统设计方法中主要考虑的是安全性，而其它方面的性能却被忽略了。随着社会的发展、科技的进步，人们对结构的安全性和稳

定性的要求也越来越高，同时，随着精密仪器、仪表技术和微电子技术的发展，对环境振动的隔离提出了越来越多的要求。因此，传统的设计方法必须进行改进，大力发展应用已成熟的隔震技术是非常必要的。

2.2 隔震原理

建筑物的地震反应取决于自振周期和阻尼特性两个因素，因此，只要使结构的自振周期远远大于地震动的卓越周期，并且想办法在地震期间，使建筑物基础不发生破坏，结构上部在地震期间的位移大幅降低，从而达到国家规定的抗震设防目的：小震不坏，中震可修，大震不倒，甚至大震不坏的目的。

基础隔震的原理就是通过设置隔震装置系统形成隔震层，延长结构的周期，适当增加结构的阻尼，使结构的加速度反应大大减小，同时使结构的位移集中于隔震层，上部结构象刚体一样，自身位移很小，结构基本上处于弹性状态，从而使建筑物不产生破坏或倒塌。因此，隔震层必须满足①承载特性、②隔震特性、③复位特性、④阻尼消能特性。

2.3 隔震系统和分类

隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微振动与风反应控制装置等部分组成。

隔震器的主要作用：一方面在竖向支承建筑物质量，另一方面在水平向具有弹性，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应；阻尼器的主要作用是吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位；地基微震动与风反应控制装置的主要作用是增加隔震系统的初期刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。

基于可动概念的基础隔震方法，大致可分为弹性支承式隔震、滑动式隔震、摆动式隔震以及悬吊式隔震四大类。其中，弹性支承式隔震主要有叠层橡胶支座和螺旋弹簧支座等作为隔震器；滑动式隔震是在房屋基础底面或上部结构与基础之间设置滑移层或滚动层，目前主要的隔震措施有滚子隔震（滚柱隔震和滚珠隔震两种）和滑动隔震（在上部结构与基础之间设置带有滑动摩擦材料的装置，通过滑动摩擦起隔震消能作用，目前常用的有：摩擦滑板，橡胶垫加摩擦滑板等）；摆动式隔震是将基础支撑在可摆动的短柱群或桩基上，或将基础设计成底部成球形的整体，在地震作用下，基础可产生一定的倾向和摆动，即以低的刚度控制结构的反应，延长自振周期，常用的方法包括悬挂柱底隔震法、双柱网系统隔震法；悬吊式隔震是将整个结构物悬挂在巨型钢架或钢筋混凝土内筒上，地震时，悬挂物和支承协同工作，使地震作用减小。

2.4 叠合橡胶支承

叠合橡胶支承由于其自身的优点是当前国外研究最深入、应用最广泛，而且发展较快、比较成熟、前景广阔的一种隔震方法。无论是建筑结构抗震还是机械抗振都有广泛的应用。

所谓叠合橡胶是指用橡胶片与薄钢板交互重叠而成。在小变形时刚度较大，可保证建筑物的经常性使用功能。大变形时，橡胶剪切刚度下降较多，吸收了地震引起的大部分地震能量，从而大大降低了其上部结构的震动频率和地震反应。常用的叠合橡胶支承有三类，即：有天然橡胶制成的叠合橡胶支承，高衰减叠合橡胶支承，带铅棒的叠合橡胶支撑。

普通的由天然橡胶制成的叠合橡胶支承它只具有弹性性质，本身并无显著的阻尼性能，因此，它通常总是和阻尼器一起并行使用；带铅棒的铅心叠层橡胶支座是在普通叠层橡胶支座中部竖直地灌入铅棒。这样提高了支座的吸收能量的能力，又增加了支座的早期刚度，对控制风发应和抵抗地基的微振动有利。由于它既有隔震作用又有阻尼作用，因此，它可以单独地在隔震系统中使用，而无须另设阻尼器，使隔震系统的组成变得比较简单。

由于夹层橡胶垫的刚度和阻尼性能稳定，理论计算、试验值与现场实际比值比较吻合，可以通过设计计算，较准确的控制地震时结构的地震反应。因此，我国目前实际使用的隔震结构支承，除摩擦滑移支撑外，大部分为一般叠合橡胶支承。美国、西欧以及日本用的较多的是带铅棒的叠合橡胶支承，简称LRB。作为LRB的阻尼器是通过叠合橡胶体中铅棒的塑性变形吸收能量来形成的，铅具有良好的变形能力，从小变形至大变形均显示出稳定的力学性能。因此，从小变形直到大变形，LRB均可得到较大的阻尼比。小变形时也可产生较大抵抗力的这种性质，对风力的制动机能是有用的，但对于小地震时的变形范围来说，由于等效刚度大，与大地震时相比变成了短周期，从而导致可能出现隔震性能降低的情况。因此，日本目前又开发出新的一代隔震支承——LRB-SP,其特点是将铅棒的上下部分直径做成比中间部分小，呈分段圆柱形，中间部分的铅棒与叠合橡胶紧密接触，上、下小直径部分铅棒通过橡胶衬套与叠合橡胶接触，当发生中、小变形时，铅棒上、下段产生弯曲和剪切的复合变形，抗力较小；而大变形时，剪切变形起支配作用，与一般的LRB装置具有同样的特性。

2.5 局部隔震

基础隔震的同时，我们还必须注意对一些特殊的结构进行局部隔震——层间楼板隔震，它通常在设置精密仪器或计算机的楼层的楼板上再放置一层楼板，形成双楼板层，两层楼板间有一定的空间，形成自由通路层，以提供空调的冷风用空间和电缆配线空间，便于维修。但由于仅将上层面板放置在支承脚上，地震时上层面板会发生偏移，机器易倾倒、移动或相互撞击。因此，需对两块楼板间的自由通道层进行加固，并设法减小传向精密仪器或计算机等的地震能量。

一个有效办法是将上层面板支承在固定于大梁及小梁的支座上，这些大梁、小梁又支承在叠合橡胶隔震装置上，每8m^2~16m^2设置一台隔震装置,它实际上包括叠合橡胶支承和一组弹簧阻尼器一竖向螺旋弹簧和竖向阻尼器，以便减小上、下振动。四周设有相互垂直的4个水平弹簧，用于控制面板能回归原来位置。每台隔震装置均置于固定在结构楼板的滑板（钢板）上，通过装置底板与滑板间的摩擦来吸收地震能量，减小机器的水平振动。为避免上层面板与