叠层橡胶垫基础隔震结构的减震效果分析

叠层橡胶垫基础隔震结构的减震效果分

析

摘要：文中对叠层橡胶减震垫在国内外的发展展开论述，深入探讨了叠层橡胶垫减震的力学性能及属性，采取在结构的所有中柱底部设置叠层橡胶垫的隔震措施，进行模型研究和理论分析，以验证隔震措施的可靠性。

关键词：叠层橡胶垫;隔震;阻尼比;

地震作为常见的自然灾害，其由于地壳的相对不规则运动，导致大量的能量释放，对人身以及财产造成巨大的损失。地震虽然是随机的、不可抗拒的，但设计科学合理的建筑结构是减少这一自然灾害对人类伤害的根本途径之一，也是我们的责任和使命。建筑结构通常采用整体和叠层橡胶垫基础隔震结构的方法，通过减少结构输入的地震能量来满足抗震要求。近年来，科学家们不断研究探索建筑物结构抗震技术问题，采用了叠层橡胶阻尼器的基本结构。

1 叠层橡胶减震垫

在建筑结构的每个支撑的底部和板之间放置叠层橡胶垫，形成叠层橡胶垫隔震中柱结构，简称隔震结构。在高温和高压等许多操作过程中，薄橡胶板和钢板交替粘合。橡胶板的横截面被钢板限制，具有很大的垂向刚度和强度。当橡胶层在水平方向上受到拉力时，其横向变形相对较小，叠层橡胶垫可以在出现较大的整体侧移的情况下保持稳定性。水平方向上的刚度大约是纵向刚度的千分之一，还包含橡胶和阻尼材料，也可以提高整体的强度。这一技术是通过叠层橡胶垫将上部建筑结构与下部基础结构隔离的一种柔性隔震抗震方法。建筑物的基础与上部结构整体上是柔性连接的，当地震发生时，叠层橡胶垫可以减轻地震中受强震影响的上部结构产生的位移、可以隔离地震产生的能量或者使其在内部损耗，将地震时向上部结构转移的能量降至最小。此时，上部结构的反应等同于不隔震时

的四分之一甚至更少，进而“阻隔”地震效应。与传统理念不同，在抗震的同时，可采用减震、隔震的原理来减小或转移地震能量。

2 国内外叠层橡胶垫基础结构的发展

近年来，基于大量强震记录的收集以及结构非弹性动力分析方法的日渐成熟，随着振动台试验设备的成功研发，尤其是在隔震构件的开发方面取得了重要突破，基础隔震技术已经从理论探索和实验研究阶段发展到示范应用以及推广阶段。叠

层橡胶垫湿陷减震的基础结构适用于具有一定高度的砌体结构、刚性结构以及钢

筋混凝土结构。

2.1 国外研究现状

早在19世纪，日本学者河合浩藏就首次提出了基础隔震的理念。他设想建

造一栋建筑物，可以在地震期间不受地震震动的影响。其方法是提前在地基的水

平和垂直方向上交替搁置几层圆木，再在其上建设混凝土的基础和上部结构，发

生地震时，建筑物可以在圆木上移动，削弱了地震能量，带动上部结构一起整体

运动，进而减少破坏的危害。尽管这还不是系统隔振的理念，但这一实验的想法

已经有了隔震的雏形，为后来的学者提供了思路。在20世纪初，美国、法国、

德国、意大利、新西兰等国学者陆续发现了隔震理念与传统抗震方法的本质不同，并在隔震结构方面提出了更好的想法。英国学者在隔震理念的背景下，提出了利

用滑石粉充当隔震层，放置在基础和上部结构之间，地震发生时，使建筑物在滑

石粉层之间滑动，削弱由下部上传的的巨大地震能量，还成功申请到隔震专利一项。

20世纪中叶后期，新西兰的相关人员首先研发出隔震元件（铅芯叠层橡胶垫），实用、安全、经济，极大地促进了隔震技术的应用。铅芯橡胶支座的临界

阻尼比由原来的3%提高至10%和15%，实现了无需使用其他阻尼器即可达到隔震

设计的阻尼要求。采用铅芯橡胶支座隔震的世界第一栋建筑是在新西兰的惠灵顿

威廉克雷顿大楼，建造于1981年，是一栋钢筋混凝土结构的四层办公楼，其与

惠灵顿断层紧紧相邻。

2.2 国内研究现状

在我国，隔震技术的研究起步相对较晚。在1976年唐山大地震之后，基础

隔震的一系列研究才得到了相关学者的关注和重视。到90年代后，以周福霖等

为代表的研究者在地震阻隔的设计与研究，包括后期的模型与产品投入等方面都

做了全方位的调整与反复的整合，为此后的研究奠定了稳固的理论基础。他们对

相应部位力学性能、生产工艺和耐久性也做了诸多的计算与演算，并对叠层橡胶

隔震支座的位置和保护进行了试验分析。

我国于1995年12月在郑州举办了隔震与非隔震建筑抗震设计标准化技术讨

论会，在广州举办了第三届全国结构减震控制学术研讨会。参会者均称隔震技术

已经付诸实践，急需制定相关的技术规范或章程。《抗震建筑规范》第12章就

较为详细地阐述了关于隔震结构的规定。

3 叠层橡胶垫减震的力学性能及属性

3.1 垫层橡胶隔震支座的构造性

叠层橡胶隔震支座是由薄钢板和橡胶层交错放置数层形成的，为了保证质量，实现在外部加热时可以将能量均匀分散开的目的，一般在支座中心处会设置一个

空心圆孔，还可通过在孔中镶入铅芯来达到增强支座阻尼的目的。通常通过在支

座外部采用相关的特殊材料制作保护层来适应气候的变化，改善支座的耐久性。

在支座的侧面也会设置保护层，在增强支座的耐火和耐酸碱腐蚀性能的同时，还

可提高支座的耐久性和抗老化能力。依据周福霖等人的研究，发现如果发生一般

的火灾，叠层橡胶隔震支座的竖向承载能力并没有完全消失，建筑物的主体结构

不会立刻坍塌。而其主要原因是在橡胶垫侧面四周均设置了保护层，足以说明侧

面保护层对保证隔震垫的耐火性和耐久性的重要性。

叠层橡胶垫隔震支座通过上下钢板与其上下结构连接在一起的，故必须要保

证其连接的安全性。薄钢板和橡胶层要紧密连接，这样可确保钢板对橡胶层的变

形约束，此外还要确保橡胶层具有较大的水平变形能力及在反复荷载作用下的抗

疲劳能力；为了使得叠层橡胶隔震支座的阻尼达到要求，可在天然橡胶中加入石墨。叠层橡胶隔震支座在承受上部结构自重的同时，还可提供一定水平刚度以达

到增加结构的自振周期和降低地震作用的目的。