隔震技术

二、隔震技术

“隔震”，即隔离地震。在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层，隔离地震能量向上部结构传递。降低上部结构的地震作用，达到预期的防震要术,使建筑物的安全得到可靠的保证。它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。隔震包括基础隔震和层间隔震。隔震体系能够减小结构的水平地震作用，减轻结构和非结构的地震损坏。提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力，已被理论和国内外实发地震所证实。基础隔震技术是用水平力很“柔”的隔震元件将上部建筑与基础隔离，由于隔震层的刚度很小。当地震发生时，隔震层将发挥“隔”的作用，承受地震动引起的位移运动，而上部结构只作近似平动。

1.结构隔震体系的基本特征

隔震体系一般具有以下基本特征：

(1).足够的竖向承载力。隔震装置具有较大的竖向承载力，在建筑结构物使用状态下，安全的支承上部结构的所有荷载，竖向承载力安全系数必须大于6，确保建筑结构物在使用状态下的绝对安全和满足使用要求。

(2).隔震特性。隔震装置具有可变的水平刚度，在强风或微小地震时，具有足够的水平刚度，上部结构水平位移极小，不影响使用要求。在中等强度地震下，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使刚性的抗震结构体系变为柔性隔震结构体系，其固有自振周期大大延长，远离上部结构的自振周期和地面的场地特征周期，从而把地面震动有效地隔开，明显地降低上部结构的地震反应。通常情况下，隔震体系上部结构的加速度反应值可降低为非隔震结构的1/4～l/12。由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，所以，上部结构在地震中的水平变形，从传统结构的“放大晃动型”转变为隔震结构的“整体平动型”，使得上部结构在强烈地震中仍处于弹性状态，有效的保护结构本身，同时也能有效的保护结构内部装修和精密设备。

(3).复位特性。由于隔震装置具有水平弹性回复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动复位功能，可满足震后的使用功能。

(4).阻尼消能特性。隔震装置具有足够的阻尼，具有较大的消能能力。

(5).隔震结构体系能有效保护上部结构，因此在各种生命线工程、宿舍楼、商场、精密仪器室等重要

建筑中得到了广泛的应用。[11]

2.基础隔震技术[1]

基础隔震是以“软化”结构、“以柔克刚”的方式来隔离地震使结构达到抗震目的，其实质是通过降低结构刚度，延长结构自振周期来减少结构的地震反应。基础隔震技术适用面很广，尤其适用于量大面广的中、低层砖混房屋和钢筋混凝土房屋建筑：在高烈度地震区。采用基础隔震技术建造的房屋，可以突破现行抗震规范中对房屋层数的限制。在保证高宽比的前提下可以加高一到两层，这样可以增大建筑物的容积率。节省建设用地，提高土地利用率。近代的基础隔震技术基本上可分为两大类，即弹(粘)性隔震和基础滑动隔震。目前应用、研究较广的隔震装置有：夹层橡胶垫隔震装置；滚珠(滚轴)加钢板消能装置；粉粒垫层隔震装置；铅塞滞变阻尼器隔震装置；钢滞变阻尼器隔震装置；基底滑移隔震装置；悬挂基础隔震装置；混合隔震装置等。

(1).叠层钢板橡胶支座的构造及减震原理 [3]

在弹(粘)性基础隔震中，叠层钢板橡胶垫隔震技术是世界上应用最广、实用性最好的一种柔性支承装置。橡胶支座由薄钢板和薄橡胶板交替叠合经高温硫化粘结而成，所采用的橡胶一般有天然橡胶和氯丁胶。氯丁胶除抗冻和弹性外，其他性能(耐油、耐腐蚀、抗老化和阻尼等)均优于天然橡胶。

由于在橡胶层中加设夹层薄钢板，而且橡胶层与夹层钢板紧密粘结，当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶板的横向变形受到约束，使橡胶支座具有很大的竖向承载力和竖向刚度。因薄钢板不影响橡胶板的剪切变形，使橡胶板对任何水平方向的运动均呈柔性约束。当橡胶支座承载水平荷载时，其橡胶层的相对侧移大大减少，使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致失稳，而且保持较小的水平刚度(仅为竖向刚度的l/500～1/1500)。并且，由于夹层钢板与橡胶层紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定的拉力，使该种支座成为一种竖向承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值很大、又能承受竖向地震作用的理想的隔震装置。

减震阻尼钢板橡胶支座的竖向承载力可达50～200t，竖向压缩刚度可达200～3000t/cm，它们的水平刚度较小，约为0.25～1.8t/cm，水平极限位移约为25～50cm。它们的剪切刚度是变化的，变形较小时刚度较大，中等变形时刚度最小，然后随变形的增大刚度又回升。变形过大时刚度回升，起到保护和限制侧向位移的作用。这种支座对于小震来说，结构就如同连在刚性基础上；对于强震来说，基底隔震系统一方面提供柔性滑动，另一方面可吸收大量能量，它由于局限所吸收的能量相当于临界粘滞阻尼吸收能量的35％。另外，橡胶支座具有自复位功能。

根据对减震阻尼橡胶支座的不同阻尼比的要求，目前国内外主要采用下述几种不同材料制成的减震阻尼橡胶支座：

①.天然分层橡胶支座(MRB)

普通减震阻尼橡胶支座一般采用天然橡胶或氯丁二氯橡胶制造。这种支座只具有弹性性质，本身并无显著的阻尼性能，因此，通常需要和阻尼器一起并行使用。

②.铅芯橡胶支座（LRB）

在普通减震阻尼橡胶支座中部竖直地灌入铅棒就成为铅芯减震阻尼橡胶支座。灌入铅棒的目的：一是提高支座的吸能效果，确保支座有适度的阻尼；二是增加支座的早期刚度，对控制风反应和抵抗地基的微震动有利。铅芯减震阻尼橡胶支座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。由于纯铅材料具有较低的屈服点和较高的塑变耗能能力，使铅芯减震阻尼橡胶支座的阻尼比可达20％～30％。由这种橡胶支座组成的隔震系统作为主导产品，已广泛应用于国外的大中型桥梁，并取得了良好的效果。

③.高阻尼橡胶支座（HD—MRB）

这种支座采用高阻尼橡胶材料制造。高阻尼橡胶可以通过在天然橡胶中掺入石墨得到，根据石墨的掺入量可调节材料的阻尼特性。高阻尼橡胶也可由高分子合成材料制成，这种人工合成橡胶不仅阻尼性能好，而且抗劣化性能也极佳，阻尼比可达到10％～15％。和铅芯减震阻尼橡胶支座一样，高阻尼减震橡胶支座

同时具备隔震器和阻尼器两方面的功能，可在隔震系统中独立使用[6]。

为了能在时域上对考虑地基－结构动力相互作用的体系进行非线性分析，以基础隔震结构为力学计算