橡胶隔震支座的基本原理和设计方法研究

【摘要】本文对橡胶支座的分类、隔震技术原理等内容进行了介绍，叙述了橡胶隔震支座结构的分布设计和概念设计。最后提出了对橡胶隔震支座的发展展望，对于橡胶隔震支座的基本性能有了基本的了解。

【关键词】橡胶支座；隔震技术；结构设计

1.引言

日本东北地区宫城县北部于北京时间3月11日发生了里氏9.0级强震。震源深度达20余公里，该次地震引发了海啸，导致核物质泄漏，近1/3自来水被污染，造成了大量人员伤亡。地震频发的日本一直被公认为世界的抗震强国。在本次强震中，日本虽然损失惨重，但多数坚挺不倒的高层建筑物，以顽强的形象，展示了日本较强的抗震能力。这些高层建筑之所以能在多次特强地震中屹立不动，这与日本房屋建筑上的防震技术和措施密不可分。为了抵御地震的破坏，日本的高层建筑普遍采用了一种地基地震隔绝的技术。这种技术，就是在建筑的底部安装弹性橡胶垫，或者摩擦滑动承重座缓冲装置来抵抗地震。

2.橡胶支座的分类

2.1 公路桥梁板式橡胶支座

公路桥梁板式橡胶支座分为板式橡胶支座和四氟滑板式支座。

板式橡胶支座由多层橡胶与薄钢板镶嵌、粘合、硫化而成。它具有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，且能将上部构造的压力可靠地传递给墩台；有良好的弹性以适应梁端的转动；有较大的剪切变形以满足上部构造的水平位移；具有构造简单、安全方便、节省钢材、价格低廉、养护简便、易于更换等特点。

聚四氟乙烯滑板式橡胶支座简称四氟滑板式支座，是于普通板式橡胶支座上按照支座尺寸大小粘复一层厚2-4mm的聚四氟乙烯板而成。四氟滑板式支座除具有普通板式橡胶支座的竖向刚度与弹性变形，且能承受垂直荷载及适应梁端转动。对于30米的大跨度桥梁、简支梁连续板桥和多跨连续梁桥可作活动支座使用；对于连续梁顶推、T型梁横移和大型设备滑移可作滑块使用。

2.2 球冠圆板式橡胶支座

球冠圆板式橡胶支座在平面上各向同性，并以其球冠调节受力状况。不但适用于一般桥梁，也适用于各种布置复杂、纵横较大的立交桥及高架桥，其坡度使用范围为3～5%，也可根据不同坡度需要调整球冠半径。球冠圆板式橡胶支座分为球冠圆板式橡胶支座和聚四氟乙烯球冠圆板式橡胶支座。若在支座底面粘贴一块与支座平面尺寸相同的聚四氟乙烯板则称为聚四氟乙烯球冠圆板式橡胶支座。

2.3 坡型板式橡胶支座

随着交通运输业的发展，各种斜桥越来越多，梁桥坡度从1～4%不等，有的特殊桥梁设计坡度甚至达8%左右。斜桥由于倾斜或桥面逐渐升高，就给支座的设计准则增添了更多的因素，一部分垂直于桥面的作用力作用于支座的剪切面上，如果设计未迎合这些力的需要，支座就会产生过大变形，影响其使用性能和寿命。

以往对梁体纵坡1%

由此，坡型支座应运而生。目前，支座生产厂家可根据设计使用要求，加工制造不同规格、不同坡度、不同弹性模量（形状系数）的坡型板式橡胶支座。

坡型支座安装、施工时只按普通板式橡胶支座的安装方法既可。无须准备楔块或对梁底做相应处理，省工省料，施工方便。

2.4 GPZ盆式橡胶支座

盆式橡胶支座是由钢构件和橡胶构件组合而成的新型桥梁支座。它具有承载力大，水平位移量大、转动灵活等特点。与同类的其他型号盆式支座和铸钢辊轴支座相比，具有重量轻、结构紧凑、构造简单、建筑高度低，加工方便、节省钢材、降低造价等优点，是适宜于大跨径桥梁使用的较理想的支座。

2.5 TPZ型桥梁盆式橡胶支座

TPZ型盆式橡胶支座由聚四氟乙烯板、橡胶垫板、钢盆和滑动顶板组成。具有承载能力大、水平位移量大、转动灵活等特点，且重量轻、结构紧凑、构造简单、建筑高度低，加工方便、节省钢材、降低造价等优点，是适用于支座承载力为1000KN以上的大跨径桥梁使用的较理想的支座。

3.隔震技术原理

传统的房屋上部结构和地基牢牢地连在一起，地震时地面运动的能量经过地基毫无障碍地传输到上部房屋结构，使房屋发生震动和变形，当结构变形过大，达到某个极限时，房屋便发生破坏甚至倒塌。建筑隔震减震技术是通过在建筑物底部或某高度处设置侧向刚度较小且变形能力大的隔震装置，以减小地震对上部楼层的能量输入，从而减小上部楼层的地震响应。早在一百多年前，人类就曾利用滚木、球和沙等作为隔震装置实现了建筑隔震减震[1]，但直到约30年前夹层橡胶隔震垫发明后，现代建筑隔震技术才开始在实际工程中逐渐得到推广应用。目前，隔震建筑已经被地震国家广泛接受。

由于隔震支座组成的隔震层的水平向大变形运动能消耗掉大部分地震能量，减轻上部结构所受到的惯性地震作用，有效降低地震引起的结构加速度反应，减小层间剪力及相应的剪切变形。如图2.1所示：

图2.1 传统结构和隔震结构对比[2]

我国自1993年在汕头建成首幢橡胶垫隔震建筑以来，橡胶垫隔震装置已在多地的工程中得到应用。建筑结构采用隔震措施后，与相同的非隔震结构相比，将具有较长的周期（通常是原周期的2-3倍）。根据反应谱理论，层数较少的非隔震结构周期较短，地震作用较大，而隔震建筑的周期明显延长，使得地震作用显著减小。这是目前对隔震建筑原理的一般解释，并由此认为隔震建筑一般适用于层数不多的建筑[3]。

4.橡胶隔震支座结构设计方法

4.1 隔震结构分布设计

《规范》中采用分部设计方法和水平向减震系数这两个概念来考虑隔震结构。隔震结构分部设计法是将隔震体系分为上部结构、隔震层、下部结构以及基础四个部分[4]。

4.1.1 上部结构设计

上部结构的设计是利用水平向减震系数来实现的。水平向减震系数定义为设防烈度下，结构隔震与非隔震时各层层间剪力比的最大值，它代表了采用隔震设计时的减震效果。

（4.1）

式中ψ为剪力比的最大值；Qgi、Qi分别为设防烈度下结构隔震与非隔震时第i层的层间剪力。

为提高抗震设防目标，设计时水平向减震系数φ取层间剪力比最大值1/0.7倍，且不宜低于0.25。

（4.2）

4.1.2 隔震层的设计

隔震层的设计应根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震支座以及为抵抗地震微震动与风荷载提供的部件组成隔震层。隔震层的平面布置应对称，并设置在受力较大的位置。

隔震层的验算包括竖向的承载能力和水平向的位移。《规范》规定：隔震支座永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应力设计值：甲类建筑不应超过10MPa，乙类建筑不应超过12MPa，丙类建筑不应超过15MPa，且支座中不宜出现拉应力。隔震支座在罕遇地震下水平位移，应符合下列要求：

（4.3）

4.1.3 下部结构及地基基础设计

下部结构墙、柱地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行计算。隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区抗震设防烈度进行。

4.2 隔震结构概念设计

隔震结构概念设计主要包括两个方面，隔震层刚度的设计和上部结构强度的设计。

4.2.1 隔震层刚度的设计

隔震层总体刚度范围的估计是隔震概念设计中最重要的方面。在确定隔震层的总体刚度范围以后，才可以选用合适的隔震支座，估计结构反应的其它参数，继而进行隔震层和上部结构的初步设计。隔震建筑可简化成单质点模型，根据单质点模型将隔震结构加速度反应衰减比η表达成：

（4.4）

式中Xs为结构加速度反应；Xg为地面加速度输入；ω为场地特征频率；ωn为隔震结构的固有频率。

根据式（4.4）可以估算出隔震层总体刚度的上限值，超过该值将达不到所要求的隔震效果，而总体刚度的下限值由（4.5）式估算，小于此下限值时，隔震层会因刚度太小产生较大的位移而不安全。

（4.5）

式中Dk为近场系数；Fek为结构总水平地震作用标准值；uh为隔震层允许的水平位移。

4.2.2 上部结构强度的设计

隔震建筑上部结构概念设计与抗震结构基本上相同，应避免应力集中，选择有利房型，设立多道防线等，不同的是上部结构强度设计上存在差异。由于隔震建筑上部结构的地震反应比同一环境下抗震结构要小，因此可以减小梁柱的尺寸和配筋，但材料过分节省时，就可能达不到使用隔震结构提高建筑地震安全性的目的。所以，必须按规范规定，使得隔震建筑安全等级高于抗震建筑。

5.橡胶隔震支座的发展展望

从20世纪90年代初开始，我国铁道部交通部建设部先后颁布了橡胶支座的产品标准，生产厂家应严格按照产品标准生产。然而，由于橡胶支座的生产利润高，出现了一哄而上，生产厂家日益增多的情况。橡胶隔震支座发展至今已较为成熟，但仍存在不够完善的地方。其中包括：（1）选用用的橡胶材料和金属板材料的品种规格不规范，不遵守国家产品标准规定。构造不合理，许多橡胶层厚度不均匀金属板厚度层数不规范制作工艺不合理表现在橡胶层与金属板粘接力不够。一些生产厂家不了解橡胶支座的技术性能不懂生产工艺盲目生产。（2）橡胶支座隔震效果对体型基本规则的低层和多层建筑比较有效，而对于高层建筑效果不大，通常情况下不隔震时基本周期小于1.0s的建筑采用隔震方案效果较佳；而目前为了节约土地资源，有效利用上部空间，高层建筑越来越多，研制出一种新型的用于高层隔震的橡胶隔震装置已非常有必要。（3）工程中运用的橡胶隔震支座都是为了减小结构水平向地震作用而设计的，对结构竖向地震作用几乎没有减震效果。对于没有竖向隔震能力的的隔震结构，尤其是大跨度、长悬臂以及高耸结构，在竖向地震作用下，上部结构可能会产生较大的轴向拉压力，这种拉压力可能会导致结构的破坏。如何既能水平向隔震，又能对竖向减震的多维隔震支座已倍受关注。

参考文献：

[1]Farad Naeim,James M Kelly.Design of Seismic Isolated Structures-From Theory to Practice[M].John Wiley＆Sons,Inc,1999.

[2]李圃.橡胶支座隔震技术在灾区重建工程中的应用[B].福建建筑,2010,9(147):24-26.

[3]曲哲,叶列平,潘鹏.高层建筑的隔震原理与技术[A].工程抗震与加固改造,2009,10(31):58-63.

[4]时本强,徐赵东.橡胶支座隔震结构的分析模型与方法[A].

[5]李国强,李杰,苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[6]李爱群,高振世.工程结构抗震与防灾[M].南京:东南大学出版社.

[7]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)及条文说明[S].中国建筑工业出版社,2001.