建筑结构隔震橡胶支座

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

在雅安地震中，距震中区10 km处的芦山县城地震烈度为8～9度之间，该地区抗震设防烈度为7度，很多建筑遭受到不同程度的破坏，而芦山县人民医院新建成的门诊综合楼却几乎完好无损。该建筑为框架结构，设计抗震设防烈度为7度，为澳门特别行政区援建项目。震后整个建筑的梁、柱、板等结构构件基本无损，建筑外立面不仅墙面没有开裂，而且连瓷砖也几乎没有脱落，外窗玻璃也未震碎。也就是说，该建筑在7级地震的作用下，不仅整体结构保持完好，而且内部装修、设备和外部装修完好无损，在震后照常运转，为及时救治伤员发挥了很大的作用。究其原因，主要是采用了橡胶隔震支座，消耗了大部分的地震能量，才使得上部结构免遭震害。

橡胶隔震支座的基本原理是通过在建筑物基础与上部结构之间设置橡胶支座，使得地震作用下建筑物的自振周期能够延长，可使建筑物在地震作用时的水平加速度降低50%～60%，从而减轻上部结构的地震作用效应，达到减小震害的目的。通常的做法是在下部结构(基础)与上部结构(主体)之间设置隔震层来改变结构整体的动力特性。一般地震的振动周期大多在0.1～1 s之间，隔震支座因为水平刚度较小，可延长上部结构的振动周期至3 s以上，使建筑物因地震而产生的加速度反应大量减小，从而达到保护建筑结构物的目的。在地震作用下，橡胶片产生弹性变形，通过弹性位移吸收地震作用力，隔震支座中的钢板层对橡胶层竖向变形起约束作用，使支座具有很高的竖向承载能力，同时又不影响橡胶的水平柔性，使得其有良好的水平变形能力和复位能力，从而提高建筑物的抗震能力。这种橡胶隔震支座体系在技术上已经基本成熟，应用方便，在建筑耗能减震领域前景广阔。

1 隔震橡胶支座的基本特性

橡胶支座是由若干层薄橡胶板和若干层薄钢板交替叠合，经高温、高压硫化而成。目前工程中使用的大部分为扁圆柱体形状，如图1所示。

图1 橡胶支座构造

隔震橡胶支座中橡胶层与夹层钢板紧密粘结，具有以下特性：

1.1 竖向承载能力特性

橡胶支座能有效地支承上部结构，即使在发生较大变形的情况下也能正常工作而不发生失稳破坏。隔震橡胶支座中橡胶层与钢板层紧密粘结在一起，上部结构自重及使用荷载产生的竖向力传到支座时，橡胶板产生横向变形，但同时要受到钢板层的约束，使得橡胶层处于三向受力的状态，而钢板本身又是一种不可压缩的材料，使得橡胶支座具有较强的竖向承载力和刚度。工程中常用的橡胶支座的竖向承载力一般在100 MPa以上，考虑到轴压承载力安全系数，实际工程中其设计轴压应力在15 MPa以上，作为建筑物的竖向支承绝对安全。

1.2 水平隔震特性

橡胶支座具有一定的水平刚度和变形能力，通过水平错动，能延长整个结构体系的自振周期，削减地震能量向上部结构的传递。建筑物在小震水平力作用时，橡胶支座的初始刚度就可以确保建筑物的安全；在中、强震水平力作用时，橡胶支座的橡胶层产生水平错动，同时产生内摩擦。随着支座水平变形的增大，水平刚度有所降低。橡胶支座具有的水平力学性能，能为橡胶支座在正常工作状态下提供必要的水平刚度，为上部结构的安全提供了保障。地震发生时，橡胶支座的水平刚度降低，使得隔震层形成刚度薄弱层，产生较大变形，上部结构同时产生的是平动，而不是普通建筑在地震作用下产生的摆动和扭转效应，从而使得地震对上部结构的效应减小。

1.3 复位特性

橡胶支座具有一定的水平弹性恢复能力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后，能使上部结构回到原来的状态，满足继续使用的要求。

1.4 耐久性

橡胶支座是隔震的关键部件，材料本身必须具有良好的耐久性。橡胶支座的橡胶原料采用耐氧化和耐疲劳的氯丁、天然橡胶或三元乙丙橡胶，钢板采用精轧不锈钢板，使之具有很好的耐老化性能和抗疲劳性能。一般民用建筑的设计基准期为50年，橡胶支座在合理使用、合理维护的情况下，其耐久性能应至少大于建筑物的设计基准期。

2 隔震橡胶支座的制造工艺

2.1 材料的选择

根据隔震支座的使用要求，主体材料为性能较好的天然橡胶，应满足以下几个方面的要求：

(1)橡胶材料的抗撕裂性要好，伸长率要大。

(2)橡胶层与钢板层的粘合性能要好。

(3)厚度较大的隔震垫需长时间硫化，橡胶不能发生硫化返原现象。

(4)支座中心的铅棒纯度要高，可以提高橡胶支座早期的刚度，这样在水平位移下可以起到阻尼的作用。

2.2 橡胶支座的制造工艺

制造工艺是隔震橡胶支座能够在工程中可靠工作的关键。支座由多层橡胶与多层钢板叠层组合，经各工艺程序制成，能够满足较高的力学性能要求。实际工程中对抗震隔震垫性能的要求高，故其工艺要求特别高，任何一道工序不严谨，都会造成橡胶垫力学失稳，从而失去隔震作用。橡胶支座在工艺方面需要注意以下几个方面：

(1)产品不能过硫，更不能欠硫。

(2)内部胶层的厚度要均匀。

(3)胶层内部不能有气泡，否则会直接影响与钢板的粘合性。

2.3 产品的制造工艺流程

隔震橡胶支座的制造工艺流程为：圆形胶片涂胶粘剂钢板→组装入模→模压硫化→卸模→中孔灌铅→测试→装联结板→检查→刷保护层→标志→出厂。

3 隔震橡胶支座的安装

3.1 下埋板的安装

利用起重设备将预埋板吊运至设计部位；在可调螺栓对应的位置放置垫块。根据所放轴线及控制线，调整下埋板位置，偏差须≯5 mm；调节可调螺栓，使下埋板位于同一水平面，并且埋板水平度≯3‰，水平度利用高精度水平尺在双向同时进行检查；用Φ≮14 mm的短钢筋将下埋板锚筋与基础竖向主筋焊接固定；在埋板固定牢固后，旋转可调螺栓，取出垫块。将螺栓连接孔用胶带贴严实，防止混凝土进入。混凝土浇筑完毕，立即校核下埋板的水平度，如不满足要求需立即进行调整。

3.2 安装橡胶支座及上埋板

混凝土浇筑48 h后，用起重设备将橡胶支座本体吊到固定位置，按照厂吊点(连接板上预留的吊装螺孔)安装吊具，严禁使用连接螺孔起吊，以免对连接螺孔造成损伤；用高强螺栓将连接板牢固地与上、下预埋板连接，高强螺栓应对称拧紧，拧紧过程分为初拧、复拧、终拧3个阶段，并在同一天完成。

4 经济效益分析

4.1 短期效益分析

据统计，公共类建筑物设防烈度每提高1度，将增加造价20%左右，使用隔震技术将节约这部分投资。购置隔震装置的费用加上安装费用占总投资的5%左右。抗震规范规定，采用隔震设计可以降低烈度，主体结构所承受的地震作用将减小，抗震等级也可能降低，这样结构构件的截面尺寸、构件的配筋等也将减少，即混凝土和钢筋用量均随之减少，降低了结构的造价。同时，在采用隔震支座降低烈度后，建筑物的层数和高度可能增加，带来直接的经济效益。

据统计，非公共建筑在9度区采用隔震设计工程造价明显降低；8度区工程造价略有降低或持平，但结构的可靠度明显提高；在6度、7度区采用隔震设计，工程造价略有增加或持平，但结构的可靠度显著提高。

4.2 长远效益分析

从长远的角度分析，即考虑未来该建筑可能遭遇较大地震的情况。传统的建筑遭遇地震时，其经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两方面。直接经济损失是指地震后建筑物损坏需加固维修和重建的费用，间接经济损失是指由地震造成的建筑物、设备和电力等损坏导致的不能正常工作和生产所带来的经济损失。地震所带来的直接经济损失是显而易见的，而间接经济损失也是非常巨大的，地震发生后的间接经济损失往往大于其直接经济损失。采用隔震技术后，建筑物在遭遇较大地震时，建筑及室内设备不损坏或轻微损坏，仍可继续工作，从根本上避免或降低了直接经济损失，同时有效地降低了间接经济损失。隔震建筑具有传统抗震建筑无法比拟的经济效益。

5 隔震橡胶支座的发展前景

5.1 结构设计理论成熟

橡胶支座的结构设计已经有一套完整的计算理论，专业人员能够根据橡胶支座的设计承载力、竖向刚度、水平刚度、阻尼比等力学性能的要求，通过理论计算，确定橡胶支座的有效承载直径、钢板厚度、橡胶板厚度、层数、支座高度等指标参数。

5.2 生产工艺技术稳定

目前，我国已经能够生产不同物理性能和力学性能要求的工程橡胶，有成熟的生产工艺和胶料配方，能够满足工程使用的要求。

5.3 构造简单，施工方便

橡胶支座是由薄钢板与薄橡胶板叠合模压硫化而成，具有支承、复位、阻尼等功能，结构简单。安装时只要按竖向标高和平面位置与上下构件连接，便能进行施工安装，十分方便。

5.4 应用范围广泛

隔振技术对多层和低层建筑物比较合适，在高层建筑中也有应用。橡胶支座可安装在不同标高的位置上，并且遇到不均匀沉降时，橡胶支座仍能正常工作。

6 结语

建筑隔震橡胶支座是集支承、复位、阻尼等功能于一身的新型隔震装置，橡胶材料的物理性能、支座的力学性能等均能达到工程要求，在竖向与水平地震作用下保持稳定。支座设计理论成熟，安装操作方便，是一种有效的隔震措施，具有良好的经济效益和社会效益。但是，目前这种技术在我国的应用还具有一定的局限性，其原因主要是隔震垫价格较高，人们对这种技术认识不够以及我国建筑的使用寿命较短，隔震垫的综合效益得不到体现。相信随着人们对隔震技术认识的不断提高，橡胶隔震支座将对我国的建筑业带来深远的影响，其应用前景一片光明。

参考文献：

[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 王东平，张燕，李永刚.建筑隔震橡胶支座的原理及工艺研究[J].中国橡胶，2009，25(3):31-35.

[3] 刘文光.橡胶隔震支座力学性能及隔震结构地震反应分析研究[D].北京：北京工业大学，2003.