三维基础隔震（振）技术与装置研究简述

吴 迪,沈朝勇,熊 焱,蒋国平,冼巧玲,

（1.广州大学工程抗震研究中心,广州 510405; 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广州 510604;3.福建江夏学院工程学院,福州 350108）

0 引言

在社会经济和科学技术迅速发展的今天,城市化和社会经济的可持续发展是紧密联系在一起[1]。二十一世纪以来,随着世界范围内城市化进程加速推进,城市和乡村工程结构面临诸多新的问题和挑战,例如地震与环境振动对城镇工程安全性和舒适性影响问题等[2-3]。类似问题引起了工程结构领域专家和学者的高度重视[4-6]。为解决上述问题,国内外研究者从隔震、减振和振动控制方面开展了理论、试验研究和技术、开发,并在实际工程运用、隔震规范化和产业化方面取得了显著进展[7-10]。

早期隔震装置功能主要针对水平向隔震和减振,对竖向减振效果不明显。1909年由Calantarients提出的一种建筑基础隔震设计方法[11],该方法是指在结构物底部与地基之间设置隔震系统,通过延长结构的周期和适当增加阻尼,使结构加速度反应减弱,控制地面运动能量向结构物传递。隔震技术被证明是结构工程防震减灾的有效手段,并且逐步用于工程结构抗震与减振控制。在1994北岭地震[12]、1995年神户地震[13]和2013年芦山地震[14]中,采用基础隔震和减振技术的工程结构经受了地震的考验,因此该技术获得各国工程减震控制领域的认可,并被使用于工程结构的基础隔震（振）。

近年来,随着三维隔震和减振技术积极的发展,国内外学者经过一系列理论研究和试验,提出和开发了不同种类的新型三维基础隔震和减振装置。本文在现有三维基础隔震和减振技术与应用研究成果基础上,针对工程结构抗震防灾需求进行介绍和分析,并对现有三维隔震（振）装置进行分类和讨论,希望本文的阐述和研究能对于新型三维隔震和减振技术的发展发挥一定推动作用。

1 三维隔震（振）技术与装置

1.1 三维隔震（振）技术简述

根据结构动力学的基本理论,基础隔震（振）系统可被简化为有阻尼单自由度体系。在外部激励振动作用下,单自由度体系运动微分方程的表示为：

式(1)中,m为单自由度质量,c为粘滞阻尼系数,k为刚度系数,别为系统的位移、速度、加速度,ω为外部荷载谐振动的圆频率。

根据式(1)可以推导基础隔震(振)体系的振动传递率(TR)[15],即最大传递力（fmax）与外部激励的幅值（p0）的比值：

式中,ωn为隔震(振)体系的自振频率；ω为外部激励荷载的振动频率；ζ为阻尼比；

根据式（2）可以计算得到不同外部激励频率与结构自振频率比（ω/ωn）情况下TR的分布情况如图1所示。根据图1所示的振动传递率的函数分布可知,增加阻尼比ζ 与频率比ω/ωn能有效降低外部激励传递给系统的作用力。且当ω/ωn＞√2时,TR＜1,传递力小于外部激励的幅值。但是,在外部激励的频谱特性较为复杂,例如根据美国规范FEMA450将场地划分为A、B、C、D、E共5类[16],选取不同场地的地震动计算得到其加速度反应谱图如图2所示。由图2可知不同场地的地震动加速度频谱特性差异较大。此外,外部激励振动的卓越频率也会随时间发生变化。显然,式（2）无法衡量现实外部激励的特殊性和随机性。此外,实际上传递力小于外部激励的幅值也不能保证上部结构安全性和舒适性的限值要求。根据实际隔震结构的设计经验,频率比ω/ωn需要超过2才能达到较为有效的减震需求。

根据隔震(振)系统的理论分析,三维基础隔震和减振对装置的需求包括竖向承载力、刚度、阻尼等,在特定阻尼条件下隔震(振)装置的能力与需求关系可表示为图3所示。装置需要具备足够的竖向承载能力和自复位能力,满足承担上部结构全部荷载的需求,并能够在振动作用结束后结构恢复到初始状态。其次,装置需要拥有较低的刚度,满足提高降低隔震（振）系统振动传递率的需求。

图1 不同阻尼比隔震（振）系统的振动传递率Fig.1 Vibration transmission rate of a seismic isolation(vibration) system with different damping ratios

图2 不同场地地震动反应谱Fig.2 Earthquake response spectrum of different sites

图3 隔震（振）装置的能力与需求关系Fig.3 Relationship between capacity and demand of seismic isolation (vibration) device

1.2 三维基础隔震（振）装置分类

隔震(振)系统主要由隔震(振)装置(以下简称隔震装置)、阻尼装置、风反应控制装置等组成[8]。隔震装置既需要承担结构的竖向荷载,还需通过其较低刚度改变工程结构的自振周期；同时,隔震装置良好恢复力实现地震后结构的自复位功能。此外,隔震装置还需要具备耐候性和耐腐蚀性等特征。在现有三维基础隔震(振)技术的研究成果的基础上,根据装置组成结构类型特点,可将其分类归纳如表1所示。

表1 三维基础隔震装置Table 1 Three-dimensional base isolation device

2 橡胶隔震支座

2.1 厚层橡胶隔震支座

为解决普通叠层橡胶支座无法实现竖向隔震问题,Tajirian[17-18]通过减少叠层钢板的数量,从而降低橡胶隔震支座的竖向刚度,解决了普通叠层橡胶隔震支座无法竖向隔震的问题[17]。此后,核电站内建筑结构采用了此类三维隔震支座[18]。厚层橡胶隔震支座的结构构造如图4所示,但增加橡胶层的厚度会减小支座第一形状系数,降低叠层橡胶隔震支座的稳定性。Warn和Vu[19]研究第一形状系数对厚层橡胶隔震支座三维隔震性能的影响,但该研究忽略了竖向荷载等关键因素。陈浩文[20]通过物理试验方法,测量不同频率和支座压应力为2～3 MPa情况下振动加速度传递函数的变化曲线（如图5）；试验证明在地铁激振条件下普通阻尼厚层型橡胶隔振支座的隔振效果良好,而由于高阻尼支座材料本身弹性模量较大,导致地铁激振下发生共振反应。何文福等[21]对比研究了不同振幅和频率组合下的普遍橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座及厚层橡胶隔震支座的基本力学性能,其试验结果表明厚层橡胶隔震支座在水平方向的基本力学性能良好,在竖向具有大变形能力。朱玉华等[22]设计了3种不同单层橡胶厚度的厚层铅芯橡胶隔震支座并进行力学性能试验,研究竖向压缩刚度等基本力学性能随压应力、剪应变等的变化规律。邹立华等[23]提出了一种预应力厚层橡胶隔震支座,并在模型试验的基础上,建立隔震结构非线性分析模型,推导水平刚度计算解析公式。

在三维隔震（振）建筑结构的工程实践和结构设计方面。为提高地铁邻近建筑室内舒适度,实现建筑水平和竖向的地震和环境减振,周颖等[24]采用厚层橡胶隔震支座对上海莘庄地铁上盖多塔结构进行层间隔震研究,验证隔震结构在罕遇地震作用下的安全性能和结构抗风和微振动的性能。盛涛等[25]对某地铁车站附近修建两层砌体结构进行足尺试验模型,验证了采用橡胶隔震支座措施对提高地铁邻近建筑室内舒适度的有效性。Kanazawa等[26]采用振动台试验的方法研究水平向、竖向和三个方向输入地震动后结构的响应,试验证明在一定频带宽度范围内采用此类隔震系统具有一定减震效果。但是,为了保证叠层橡胶隔震支座足够的稳定性,橡胶层不能过厚,所以需要综合考虑支座的竖向刚度和支座承载能力。

图4 厚层橡胶隔震支座Fig.4 Thick-layer rubber seismic isolation bearing

图5 厚层橡胶隔震支座试验[20]Fig.5 Test of thick-layer rubber seismic isolation bearing[20]

2.2 纤维叠层橡胶隔震支座

1999年Kelly等[27]采用纤维代替钢板有效降低了隔震支座的竖向和水平刚度。通过对支座力学性能进行理论和试验（如图6）,分析发现纤维隔震支座不仅拥有较好的耗能特性和较低的水平刚度,而且具有质量轻、易于加工等优点[28]。Pinarbasi[29-30]对纤维约束叠层橡胶隔震支座的轴压和弯曲特性进行理论分析,研究认为在轴压和弯曲状态下纤维橡胶隔震支座与普通钢板叠层橡胶隔震支座的力学特征[31]存在一定区别。基于不同形状的约束弹性体的力学特征的理论研究成果[32],Tsai和Kelly[33]推导了条形、圆形和长方形截面的纤维约束层状弹性体的压缩刚度和名义压缩刚度。Kelly和Takhirov[34]通过考虑约束层状弹性体中弹性体体积压缩系数,对条形截面的约束层状弹性体的压缩刚度进行修正。Tsai[35]通过考虑弹性层体积压缩系数和约束层状弹性体边界条件的影响,分别对条形和圆形截面的约束层状弹性体的压缩刚度进行修正。Spizzuoco等[36]进行了不同竖向压缩应力情况下纤维叠层橡胶隔震支座的压剪性能试验,并根据试验结果对隔振器的抗震设计性能进行了评估。虽然,纤维叠层橡胶隔震支座在实际应用中具有显著的优势,但隔震支座的竖向承载能力有限。这主要因为纤维叠层橡胶隔震支座内的纤维需要保持平直状态,同时,橡胶隔震支座的制造商在制造过程中,很难控制橡胶硫化以保证支座内纤维处于平整状态,纤维在橡胶隔震支座中经常出现卷曲现象,影响此类支座的竖向和水平的受力性能。

图6 纤维叠层橡胶隔震支座的压剪试验[27]Fig.6 Compression-shear test of fiber laminated rubber vibration isolation bearing [27]

图7 FRP叠层橡胶隔震支座的压剪试验[40]Fig.7 Compression-shear test of FRP laminated rubber isolation bearing [40]

2.3 FRP叠层橡胶隔震支座

由于纤维叠层橡胶隔震支座存在的制备的困难问题和竖向承载能力限制,于是有研究提出采用代替纤维增强的FRP叠层橡胶隔震支座[37]。相较于纤维叠层橡胶隔震支座,FRP叠层橡胶隔震支座拥有竖向承载力大、加工简单等优点。张华等[38]对FRP橡胶隔震支座进行了有限元数值模拟,研究支座在竖向加载作用下的力学性能进行研究,研究了支座的变形以及FRP加劲板应力的大小及分布。谭平等[39]采用有限元方法研究了此类无约束型支座和可靠约束型支座的水平承载能力,揭示翘曲因素对于无约束型支座内部橡胶层应力状态影响的规律。吴迪等[40]对FRP叠层橡胶隔震支座的压缩性能、剪切性能等进行力学性能试验研究（如图7）,试验表明支座具有足够的竖向承载力和水平极限变形性能,并对地震作用下某砌体隔震结构的地震响应进行有限元分析。

2.4 约束橡胶隔震支座

为使橡胶隔震支座既能保持较低的竖向和水平刚度,同时拥有较大的竖向承载能力,在叠层橡胶隔震支座理论研究的基础上吴迪等[41]提出一种抗拔、限位、阻尼功能的约束橡胶隔震支座。通过周围约束层提高支座的稳定性,从而减少支座内叠层加劲钢板的数量,降低支座竖向刚度。同时,水平方向外部约束板为支座提供阻尼力,并在极限拉剪状态下为支座提供限位保护。对不同直径约束橡胶隔震支座进行拟静力试验研究（如图8）,试验表明约束板能够有效提高橡胶隔震支座的稳定性,同时该约束橡胶隔震支座具有较高的竖向承载能力和较低的竖向刚度,能够满足不同压应力状态下一般工程结构三维隔震的需求[42]。但该支座在实际工程应用还有待进一步验证。

图8 约束橡胶隔震支座[42]Fig.8 Restrained rubber seismic isolation bearing[42]

图9 采用金属弹簧隔震支座的建筑试验[43]Fig.9 Building test using metal spring seismic isolation support [43]

3 金属弹簧隔震支座

弹簧主要是利用弹性工作的机械零件。根据形状划分金属弹簧的主要类型有,螺旋形、碟形、环形和板形等；其中,螺旋弹簧隔震支座被广泛应用于机械工程（如汽车等）的三维隔震和减振控制中。1985年Huffmann[43]将金属弹簧隔震支座用于建筑结构的三维隔震保护系统中,如图9所示,对分别采用固定连接和螺旋弹簧隔震支座连接的一座5层钢框架建筑模型进行振动台试验,试验表明在有限振幅下,结构的地震作用力被有效降低,并能为建筑物和里面的人提供更多的保护。唐家祥和刘再华[8]提出采用螺旋弹簧隔震支座进行工程结构基础隔震,并完善了相应的隔震理论和设计方法。Huang等[44]采用超弹性镍钛形状记忆合金螺旋弹簧设计一种被动基础隔震系统,为并通过小比例尺寸的模型验证其有效性。但该由于该模型缩尺比例过小,时间工程的可行性有待测试。尹学军[45]对螺旋弹簧隔震效率进行了理论分析和试验研究,介绍了三维弹簧隔震基础的有关案例。尚守平等[46]提出一种三维复合螺旋弹簧隔震支座隔震墩,其所作的振动台模拟试验表明,三维复合隔震墩能有效减弱上部结构竖向及水平向的加速度,具有良好的隔震效果,并且隔震墩具有良好的恢复原位性能。Ke等[47]对复合材料螺旋弹簧的设计方法进行综述,包括材料选择、结构设计、性能匹配设计和优化设计,并介绍了其性能研究和制造工艺的重要研究成果。

4 组合隔震支座

4.1 弹簧组合隔震支座

弹簧组合隔震支座是指通过弹簧隔震支座（如螺旋弹簧或碟簧支座）与其他隔震支座组合,从而实现支座的竖向承载能力和可调节刚度。1996年Fujita等[48]提出采用螺旋弹簧和橡胶隔震支座组合的三维隔震系统,并对该系统进行理论和振动台试验研究,研究表明采用该隔震系统后水平方向第一阶结构自振频率可以达到0.5 Hz,竖直方向为3.5 Hz；该系统能有效实现三维隔震的目的。熊世树等[49-50]提出一种铅芯橡胶碟簧三维隔震支座,该装置采用橡胶隔震支座与碟型弹簧相串联,橡胶隔震支座的竖向压应力采用10-15 MPa,试验表明此装置的水平和竖向阻尼性能良好（具体如图10所示）；研究结果还说明,采用隔震支座的结构的三维隔震效果明显,楼层的地震反应比不隔震结构降低了50%以上；当竖向刚度小于2000 kN/mm,降低刚度对于减小结构的地震反应比较明显。颜学渊等[51]对采用碟形弹簧的三维隔震高层结构进行地震动激励的振动台试验,试验结果表明装置能够减小三向结构的地震响应。

4.2 橡胶组合隔震支座

刘文光[52]提出将不同橡胶隔震支座组合的一种倾斜旋转型三维隔震装置,并进行竖向压缩力学性能试验（如图11）,推导了隔震装置的刚度和阻尼的理论计算公式。他们还比较了非隔震和隔震结构在不同地震波作用下竖向加速度、水平加速度、层间剪力和层间位移响应,研究表明该隔震装置在竖向变形状态下具有良好的阻尼耗能性能[53]。高烨[54]设计一种叠层橡胶隔震支座和厚层橡胶隔震支座串联的装置,利用普通叠层橡胶隔震支座隔离地震的水平分量,而厚层橡胶隔震支座用于竖向隔震和隔离地铁振动。

图10 三维隔震支座力学性能试验[49]Fig.10 Mechanical performance test of 3D seismic isolation bearing [49]

图11 倾斜旋转型三维隔震装置[52]Fig.11 Tilting and rotating three-dimensional seismic isolation device [52]

4.3 空气弹簧组合隔震支座

1993年Uriu等[55]提出空气弹簧与橡胶隔震支座组成的三维基础隔震系统,并对该系统进行了地震模拟振动台试验研究,结果表明该系统能有效降低控制房屋的三向振动。日本为保护核电站工程结构免受地震的破坏,财政部积极推动核电站工程结构三维隔震技术的研究,包括采用空气弹簧和橡胶隔震支座组合的三维隔震技术的研究[56]。为提高竖向隔震的效果和安全性,含蓄能器单元的空气弹簧与橡胶隔震支座的三维组合隔震装置被提出,并进行了三维地震试验验证装置的动力性能参数[57]。Takayama[58]将空气弹簧和橡胶隔震支座组合的三维隔震技术应用于建筑结构抗震的实际工程(如图12所示),并在东日本大地震中获得了结构地震监测数据,监测的振动响应分析表明三维隔震系统能够有效降低隔震结构在水平和竖向的地震加速度。Suhara等[59]通过模型几何缩尺比例为1/10的拟静力试验,研究空气弹簧和橡胶隔震支座的串联隔震装置的水平和竖向力学性能；其中空气弹簧的竖向压应力采用1.6 MPa,橡胶隔震支座的竖向应应力采用7.5 MPa；验证了该类组合支座的有效性,证明可将其被用于实际工程。

图12 空气弹簧与支座组合的隔震装置[58]Fig.12 Shock isolation device combined with air spring and support [58]

5 结论和展望

三维基础隔震(振)技术是抵御地震和减轻环境振动对结构影响的重要途径。随着三维隔震(振)技术的深入研究和最新发展,三维基础隔震(振)装置被广泛应用于房屋建筑、桥梁等工程结构。本文对现有三维基础隔震(振)和减振装置和研究成果分类统计,对三维隔震(振)和减振装置进行类型划分；对不同类型三维隔震(振)装置的力学基本构造、力学特征、组成特征、加工和维护状况等进行讨论,并介绍其特色和优势。进一步明确三维隔震(振)装置的需求主要包括刚度和承载力的两个方面,讨论三维基础隔震（振）系统的振动传递率和其它关键问题,为三维基础隔震技术的进一步开发研究提供参考。