淺談建筑隔震橡膠座的原理、制造及應用

1、淺談建筑隔震橡膠支座的原理、制造及應用淺談建筑隔震橡膠支座的原理、制造及應用庾光忠，馮正林，胡宇新，郭紅峰，周函宇（株洲時代新材料科技股份有限公司，412007）摘要摘要：介紹建筑隔震橡膠支座產品的設計理念、隔震原理、技術特性、性能參數(shù)；介紹建筑隔震橡膠支座產品一般的生產過程、檢測過程和控制要點；說明建筑隔震橡膠支座這種新型隔震產品有著良好的應用前景、社會效應和經濟效益。關鍵詞關鍵詞：地震；隔震；基礎隔震技術；建筑隔震橡膠支座；地震是一

2、種危害性極大的隨機性自然災害，地震的發(fā)生帶給人類的是巨大的災難，人們在與其長期地抗爭過程中，不斷地總結經驗，尋求更好的抗震防災措施，使抗震理論日趨發(fā)展。在“5.12”汶川地震發(fā)生后，某著名建筑設計大師曾指出：“我國現(xiàn)在的抗震技術已經達到世界水平，只要采用先進的抗震設計，像5.12汶川大地震所產生的后果是完全可以減輕的?！?1世紀的中國已經擁有與美國、日本等先進國家同等級的抗震技術——基礎隔震技術。當前最先進的基礎隔震技術是通過一種高新技

3、術產品——建筑隔震橡膠支座，將上部建筑結構與下部地基結構隔離，由于建筑隔震橡膠支座中的隔震層水平剛度小，柔性強，當?shù)卣鸢l(fā)生時隔震層將發(fā)揮“隔”震的作用，代替上部結構承受地震強烈的位移動力，以此來隔離或耗散地震的能量，避免或減少地震能量向上部結構傳輸；增設的隔震層可以延長結構的自振周期并給予結構較大的阻尼，使上部建筑結構的反應減小到相當于不隔震情況下的14～18，近似平動，從而起到“隔離”地震的作用。一、建筑隔震橡膠支座的隔震基本原理一、

4、建筑隔震橡膠支座的隔震基本原理建筑隔震橡膠支座隔震的基本原理是通過增設橡膠隔震支座，使整個建筑的自振周期得以延長，以減輕上部結構的地震反應。一般做法是在建筑物底部設計一層隔震層，在隔震層設置橡膠隔震支座，利用橡膠隔震支座的水平柔性形成一道柔性隔震層，通過柔性隔震層吸收和耗散地震能量，阻止并減輕地震能量向上部結構的傳遞，最終達到減輕上部結構地震破壞的目的。這種隔震技術不僅可以保證結構的整體安全，并且能夠防止非結構部件的破壞，避免建筑物內部

5、裝修、室內設備的損壞以及由此引起的次生災害[1]。隔震設計技術的基本原理可以通過如下圖示來表示。假設一個結構懸浮于地面，如圖1a所示，則地震作用不會對結構產生影響，但由于結構還有自重，這樣的情況幾乎不可能發(fā)生。為了承擔結構的自重，可以用摩擦力非常小的滾珠來代替示意，如圖1b，滾珠在豎向支撐結構，而在水平方向與懸浮的情況近似，在水平地震作用下結構不會產生響應，但建筑物會滑移到其它位置而不能復位。因此，為了使結構復位，需要在結構中設置水平彈

6、簧，如圖1c所示，但如果僅有彈簧，一旦產生振動后就很難停止，因此必須在結構中設置阻尼裝置，以阻止振動的持續(xù)。任何一個隔震結構都可簡化為圖1－b或圖1－d的情形，隔震結構就是在傳統(tǒng)的抗震結構的基礎與上部結構之間增加了一個可以隔離地震的裝置。從以上的分析可知，隔震裝置主要由滾珠、彈簧和阻尼構成，滾珠的作用是在豎向支撐建筑物，而在水平向可以自由滑動，彈簧對結構進行復位，阻尼消減振動的幅度。其中，彈簧和阻尼的大小會影響減震的效果。假設圖12d中

7、的阻尼很小，就相當于圖1－c的情形，建筑物會在彈簧恢復力的作用下一直振動下，這對上部結構非常不利。當阻尼增加非常大時，并非有利于減震的效果。三、建筑隔震橡膠支座的基本特性三、建筑隔震橡膠支座的基本特性經過行業(yè)內多年的研究和試驗積累，目前行業(yè)內對建筑隔震橡膠支座有了一個較為全面的認識和了解，建筑隔震橡膠支座主要有以下幾個基本特性[2]：1、豎向變形特性、豎向變形特性建筑隔震橡膠支座只承受豎向純壓縮載荷時，豎向載荷位移曲線顯示出彈簧特性，在

8、設計面壓載荷范圍內近似為線性關系。普通橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座的豎向變形特性基本一致，鉛芯橡膠隔震支座豎向加載時，鉛芯基本不承受豎向壓力。2、水平變形特性、水平變形特性普通橡膠隔震支座當設計豎向壓力恒定時，水平載荷位移曲線接近線性，滯回曲線的等價阻尼比約為1%～3%。對于鉛芯橡膠隔震支座，當設計豎向壓力恒定時，水平載荷位移滯回曲線輪廓呈菱形，滯回曲線的等效剛度隨水平位移增大而降低，等價阻尼比則趨于常數(shù)，可達20

9、%以上，吸收的能量轉化為熱能，鉛棒的溫度會有一定升高。對于高阻尼橡膠隔震支座，水平載荷位移滯回曲線輪廓呈梭形，等價剛度隨著水平位移的增加而逐漸減小，在變形較大的區(qū)域內，等價阻尼比表現(xiàn)為定值，通常可達到l0～20%。3、拉伸性能、拉伸性能在地震時，工程結構物或建筑物可能會產生較大搖擺，建筑隔震橡膠支座就會產生較大的水平剪切變形，某些橡膠支座的橫斷面可能就會產生拉應力。所以建筑隔震橡膠支座必須具有一定的受拉承載能力，才能確保建筑結構物在地震

10、的多維地面運動綜合作用下，隔震橡膠支座不拉斷始終保持結構穩(wěn)定性，發(fā)揮隔震功能。綜合國內外行業(yè)設計經驗，以及建筑結構物的實際設計需要，一般情況下，建筑隔震橡膠支座的設計容許拉伸應力以不大于2.0Mpa為宜。4、剪切特性相關性、剪切特性相關性建筑隔震橡膠支座的剪切特性主要體現(xiàn)在不同工況下的水平等效剛度變化特性，與設計壓應力、設計剪應變、加載頻率、反復加載次數(shù)以及本體溫度有關。在通常情況下，建筑隔震橡膠支座的剪切特性符合以下規(guī)律：1）建筑隔震

11、橡膠支座的水平等效剛度一般會隨著設計壓應力的增大略有降低，在壓應力超過一定值（如10Mpa）時，變化幅度更小，在工程應用上基本忽略不計；2）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會隨著剪應變的增大而降低，當剪應變很大時（如超過300%），水平等效剛度又會有所提高；3）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會隨著加載頻率的提高而略有提高，但變化微小，在工程上基本忽略不計；4）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會隨著水平反復加載次數(shù)的增加略有減小，

12、但變化值微小，在工程上也基本忽略不計；5）建筑隔震橡膠支座的水平等效剛度一般會隨著橡膠支座本體溫度的升高而降低，但在不同的剪應變情況下變化程度有所不同。5、耐久性、耐久性建筑隔震橡膠支座布置于隔震建筑的基礎隔震層，需要經過50～100年（甚至更長時間）的使用，經歷長期恒定載荷、多次地震沖擊荷載，以及環(huán)境大氣的長期作用，仍需保持符合要求的承載力、回彈性、剛度、阻尼等力學性能。耐久性的目標是確保建筑隔震橡膠支座的正常使用壽命不低于工程結構本