浅谈桥梁隔振支座的原理及应用

浅谈建筑隔震橡胶支座的原理、制造及应用

庾光忠，冯正林，胡宇新，郭红峰，周函宇

（株洲时代新材料科技股份有限公司，412007）

摘要：介绍建筑隔震橡胶支座产品的设计理念、隔震原理、技术特性、性能参数；介绍建筑隔震橡胶支座产品一般的生产过程、检测过程和控制要点；说明建筑隔震橡胶支座这种新型隔震产品有着良好的应用前景、社会效应和经济效益。

关键词：地震；隔震；基础隔震技术；建筑隔震橡胶支座；

地震是一种危害性极大的随机性自然灾害，地震的发生带给人类的是巨大的灾难，人们在与其长期地抗争过程中，不断地总结经验，寻求更好的抗震防灾措施，使抗震理论日趋发展。

在“5.12”汶川地震发生后，某著名建筑设计大师曾指出：“我国现在的抗震技术已经达到世界水平，只要采用先进的抗震设计，像5.12汶川大地震所产生的后果是完全可以减轻的。”21世纪的中国已经拥有与美国、日本等先进国家同等级的抗震技术——基础隔震技术。

当前最先进的基础隔震技术是通过一种高新技术产品——建筑隔震橡胶支座，将上部建筑结构与下部地基结构隔离，由于建筑隔震橡胶支座中的隔震层水平刚度小，柔性强，当地震发生时隔震层将发挥“隔”震的作用，代替上部结构承受地震强烈的位移动力，以此来隔离或耗散地震的能量，避免或减少地震能量向上部结构传输；增设的隔震层可以延长结构的自振周期并给予结构较大的阻尼，使上部建筑结构的反应减小到相当于不隔震情况下的1/4～1/8，近似平动，从而起到“隔离”地震的作用。

一、建筑隔震橡胶支座的隔震基本原理

建筑隔震橡胶支座隔震的基本原理是通过增设橡胶隔震支座，使整个建筑的自振周期得以延长，以减轻上部结构的地震反应。一般做法是在建筑物底部设计一层隔震层，在隔震层设置橡胶隔震支座，利用橡胶隔震支座的水平柔性形成一道柔性隔震层，通过柔性隔震层吸收和耗散地震能量，阻止并减轻地震能量向上部结构的传递，最终达到减轻上部结构地震破坏的目的。这种隔震技术不仅可以保证结构的整体安全，并且能够防止非结构部件的破坏，避免建筑物内部装修、室内设备的损坏以及由此引起的次生灾害[1]。

隔震设计技术的基本原理可以通过如下图示来表示。假设一个结构悬浮于地面，如图 1-a 所示，则地震作用不会对结构产生影响，但由于结构还有自重，这样的情况几乎不可能发生。为了承担结构的自重，可以用摩擦力非常小的滚珠来代替示意，如图 1-b，滚珠在竖向支撑结构，而在水平方向与悬浮的情况近似，在水平地震作用下结构不会产生响应，但建筑物会滑移到其它位置而不能复位。因此，为了使结构复位，需要在结构中设置水平弹簧，如图 1-c 所示，但如果仅有弹簧，一旦产生振动后就很难停止，因此必须在结构中设置阻尼装置，以阻止振动的持续。任何一个隔震结构都可简化为图 1－b 或图 1－d 的情形，隔震结构就是在传统的抗震结构的基础与上部结构之间增加了一个可以隔离地震的装置。

从以上的分析可知，隔震装置主要由滚珠、弹簧和阻尼构成，滚珠的作用是在竖向支撑建筑物，而在水平向可以自由滑动，弹簧对结构进行复位，阻尼消减振动的幅度。其中，弹簧和阻尼的大小会影响减震的效果。

假设图 1-2d 中的阻尼很小，就相当于图1－c 的情形，建筑物会在弹簧恢复力的作用下一直振动下，这对上部结构非常不利。当阻尼增加非常大时，并非有利于减震的效果。

因此，对一个隔震结构而言，需要选择适当的弹簧和阻尼，才能达到理想的减震效果，具体到建筑隔震橡胶支座，就是对支座的水平等效刚度和等效阻尼比进行合理设计和选择。

图1-a 图1-b

图1-c 图1-d

二、建筑隔震橡胶支座产品的基本结构

隔震橡胶支座是隔震建筑的关键部件，其性能好坏直接关系到隔震建筑的隔震效果及隔震建筑的安全性。目前在基础隔震技术上所用到的建筑隔震橡胶支座主要有三种类型：普通天然橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座，建筑隔震橡胶支座由多层橡胶和多层钢板交替叠置硫化而成，其形状大多是圆柱型，图2为一种铅芯隔震橡胶支座的结构示意图。图3是笔者公司所生产一种铅芯隔震橡胶支座实物照片。目前工程上使用的建筑隔震橡胶支座的基本特征是：橡胶隔震支座内分层设置的薄钢板对橡胶超约束作用，使建筑隔震橡胶支座支座具有很高的竖向承载能力，能够在正常使用状态下和地震时承受建筑物的荷重，而不产生过大的变形。此外，由于薄钢板的设置方式基本上不影响建筑隔震橡胶支座的水平柔性，使橡胶隔震支座的水平刚度较小，从而使得整个地震体系的自振周期得以延长，达到减震隔震的目的。一般情况下，建筑隔震橡胶支座的水平刚度和竖向刚度数值相差约几百到千倍。

图2 一种铅芯隔震橡胶支座结构示意图图3 一种铅芯隔震橡胶支座产品实物照片

三、建筑隔震橡胶支座的基本特性

经过行业内多年的研究和试验积累，目前行业内对建筑隔震橡胶支座有了一个较为全面的认识和了解，建筑隔震橡胶支座主要有以下几个基本特性[2]：

1、竖向变形特性

建筑隔震橡胶支座只承受竖向纯压缩载荷时，竖向载荷-位移曲线显示出弹簧特性，在设计面压载荷范围内近似为线性关系。普通橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座的竖向变形特性基本一致，铅芯橡胶隔震支座竖向加载时，铅芯基本不承受竖向压力。

2、水平变形特性

普通橡胶隔震支座当设计竖向压力恒定时，水平载荷-位移曲线接近线性，滞回曲线的等价阻尼比约为1%～3%。

对于铅芯橡胶隔震支座，当设计竖向压力恒定时，水平载荷-位移滞回曲线轮廓呈菱形，滞回曲线的等效刚度随水平位移增大而降低，等价阻尼比则趋于常数，可达20%以上，吸收的能量转化为热能，铅棒的温度会有一定升高。

对于高阻尼橡胶隔震支座，水平载荷-位移滞回曲线轮廓呈梭形，等价刚度随着水平位移的增加而逐渐减小，在变形较大的区域内，等价阻尼比表现为定值，通常可达到l0～20%。

3、拉伸性能

在地震时，工程结构物或建筑物可能会产生较大摇摆，建筑隔震橡胶支座就会产生较大的水平剪切变形，某些橡胶支座的横断面可能就会产生拉应力。所以建筑隔震橡胶支座必须具有一定的受拉承载能力，才能确保建筑结构物在地震的多维地面运动综合作用下，隔震橡胶支座不拉断始终保持结构稳定性，发挥隔震功能。综合国内外行业设计经验，以及建筑结构物的实际设计需要，一般情况下，建筑隔震橡胶支座的设计容许拉伸应力以不大于2.0 Mpa为宜。

4、剪切特性相关性

建筑隔震橡胶支座的剪切特性主要体现在不同工况下的水平等效刚度变化特性，与设计压应力、设计剪应变、加载频率、反复加载次数以及本体温度有关。在通常情况下，建筑隔震橡胶支座的剪切特性符合以下规律：

1）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着设计压应力的增大略有降低，在压应力超过一定值（如10Mpa）时，变化幅度更小，在工程应用上基本忽略不计；

2）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着剪应变的增大而降低，当剪应变很大时（如超过300%），水平等效刚度又会有所提高；

3）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着加载频率的提高而略有提高，但变化微小，在工程上基本忽略不计；

4）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着水平反复加载次数的增加略有减小，但变化值微小，在工程上也基本忽略不计；

5）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着橡胶支座本体温度的升高而降低，但在不同的剪应变情况下变化程度有所不同。

5、耐久性

建筑隔震橡胶支座布置于隔震建筑的基础隔震层，需要经过50～100年（甚至更长时间）的使用，经历长期恒定载荷、多次地震冲击荷载，以及环境大气的长期作用，仍需保持符合要求的承载力、回弹性、刚度、阻尼等力学性能。耐久性的目标是确保建筑隔震橡胶支座的正常使用寿命不低于工程结构本身的使用寿命（一般为50年）。

四、建筑隔震橡胶支座产品的材料要求

为使橡胶隔震支座能够满足正常的使用功能，对橡胶隔震支座制作的材料也有一定的要求。一般来讲，橡胶隔震支座的制作材料主要有三类：橡胶材料、钢板和铅芯。其中橡胶的物理机械