隔震技术的特点及其工程应用综述

WuhanUniversityofTechnology隔震技术的特点及其工程应用综述武汉理工大学1隔震技术的特点及其工程应用综述摘要：随着地震灾害的频繁发生，世界各国对隔震研究越加深入。从最初的利用圆木作为隔震元件到今日的各种有效隔震支座，隔震技术发展越来越成熟。隔震技术作为一种有效抵御地震灾害的手段，对保护人民的生命财产安全有重要作用。本文主要讲述隔震技术由来与原理并简单介绍三种常见的隔震技术系统—橡胶隔震支座、滑移隔震系统与阻尼器隔震的特点以及它们在工程应用上的例子，并对这些例子进行分析，总结出隔震技术对于结构在抗震性能上的优越性。关键词：隔震；隔震技术；工程应用；抗震性能TheSummaryofCharacteristicsandEngineeringApplicationofSeismic-IsolationTechnologyAbstract:Withthefrequentoccurrenceoftheearthquakedisaster,theworlddoresearchonseismicisolationmoredeeply.Fromtheuseoflogsinitiallyusedasisolationcomponentstoavarietyofeffectiveisolationbearingtoday,seismic-isolationtechnologybecomesmoreandmoremature.Asaneffectivemeanstoresisttheearthquakedisaster,seismicisolationtechnologyhasanimportantroleinprotectingthesafetyofpeople'slifeandproperty.ThispaperwillmainlytelltheoriginandtheprincipleofseismicisolationtechniqueaswellasIntroducethecharacteristicsandengineeringapplicationofthreekindsofcommonseismicisolationtechnologysystem--rubberisolationbearing,slidingisolationsystem,damper.Then,itwillanalyzetheseexamplesandsummeduptheisolationtechnologyforsuperiorityintheseismicperformanceofthestructure.Keywords:seismicisolation;seismicisolationtechnology;engineeringapplication;seismicperformance1引言隔震，顾名思义，就是隔离地震，从而减少地震对建筑物的损伤。由于地震的频繁发生，结构的隔震技术由来已久[1]。隔震技术通常都是在建筑物和其底部的某个适当位置安装一些耗能元件，来耗散地震能量，从而减少建筑物在地震作用下的响应。传统的建筑抗震设计主要是将建筑物设计成延性结构，通过构造措施使结构中的梁柱构件出现塑性铰整个结构形成一种耗能机构；或是通过加设抗侧构件（如支撑剪力墙等）提高结构的抗侧刚度，从而减小建筑物在地震作用下的水平位移，来保证结构不被破坏。但与此同时因为需要增加结构的刚度，从而会导致结构自身质量无可避免地增加，致使地震力增加，导致经济效益下降。众多结构在历经多次自然灾害的作用下证实，传统的抗震设计方法存在很大的局限性[2]。结构振动控制技术改变了这种采用承重结构直接抵抗灾害作用的方法；而是通过在结构的一些关键位置（如支撑，剪力墙，节点，联结缝，楼层空间，相邻建筑物，主附结构）安装耗能装置，在发生振动时，通过耗能装置的产生的摩擦，弯曲的弹塑性滞回变形来耗散或吸收振动时所输入的能量，以减小主体结构的动力响应。在地震或风灾作用下，耗能装置会率先进入工作状态，为主结构提供较大的阻尼，使主体结构不需要产生塑性变形，从而保证了结构在地震和强风作用下的稳定性和安全性。1.1早期的隔震研究基础隔震的这个概念最早是日本的河合浩藏[2]在1881年日本《建筑杂志》的“地震时不受大震动的结构”一文中提出的。在这篇文章中，他提出一种在地震时，不会发生震动武汉理工大学2的房屋，具体做法是，把几层交错的圆木作为混凝土的基础，再在混凝土上建造的房子。这个做法就是最早期隔震的思想，本质上跟现代隔震理念是一致的。之后，各国都开始了对隔震技术的深入研究[3]，如德国的JacobBechtold在1906年提出了建造具有隔震作用房屋的一些想法[4]；英国J.A.Calantarients在1909年利用滑石或云母作隔震层；而在1921年，F.L怀特设计了被人称为最早的隔震建筑帝国饭店，并在日本的东京建成，并成功地在1923年中的关东大地震中成功地经受住严重的地震考验，但是屹立不倒。1.2现代隔震技术的发展阶段在上世纪60年起，世界各国加大了对隔震技术的研究，逐渐形成了现代的隔震技术。被认为最早的利用现代隔震技术的建筑是在1969年建成南斯拉夫的贝斯特洛奇小学,它采用了纯天然橡胶所制成的隔震支座。之后，新西兰的学者W.H.Robinson成功研制成铅芯橡胶支座，极大地加速了隔震技术的发展。由于有着良好耗能性能的隔震元件，隔震技术的应用范围被大大地拓展，多被用于建筑物与桥梁方面。美国在1985年建成了美国首座隔震建筑，也是世界第一座利用高阻尼橡胶隔震支座的建筑的建筑物。之后，随着各国的的深入研究，隔震技术进入了成熟阶段。1.3隔震技术的成熟阶段橡胶支座由于在1994年的洛杉矶北岭地震与1995年日本阪神地震中表现出卓越的隔震性能，国际上兴起了对隔震深入研究的潮流。随后，各个国家都陆续推出有关详尽的隔震设计规范和隔震支座质量标准，使得隔震元件生产朝着工业化进行。之后30年里，以各种隔震基础的现代主流隔震技术得到系统性的研究，经过不断的试验，研究，再到工程实践，使现代隔震技术不断完善和配套。1.4我国的隔震技术研究与发展史在20世纪80年代初，我国对建筑隔震技术的研究逐渐重视。在国家的“八五”科技攻关项目中，哈尔滨建筑大学完成了对隔震技术的一系列研究：从橡胶支座产品开发到生产再到产品施工应用。90年代初，为了扩大隔震产品的应用，周锡元等人根据工程应用，对橡胶支座的稳定性与临界荷载，以及橡胶支座在串联时的水平刚度计算方法进行了深入的研究，简化了其计算方法。在1993年，汕头建成了我国第一栋由橡胶隔震支座的8层钢筋混凝土框架隔震建筑。2001年，我国首次将隔震技术相关规定纳入抗震规范，为后续的隔震研究奠定基础。之后，随着技术的不断发展与成熟，我国已经能生产出性能良好，稳定性高的各种隔震元件，并出口到其他国家。2隔震结构的隔震机理武汉理工大学3基础隔震技术通常是通过在建筑物底部设置安装隔震耗能元件[5]，安装隔震元件后，可以增加建筑物的变形能力与滞变阻尼。变形能力增加，可以使结构在地震时吸收更多的能量。结构增加了变形能力之后，它就能很好地在地震作用下维持不倒塌。而滞变阻尼的增大可以使结构在地震作用中耗散更多的能量。与此同时，结构变形能力的增大即刚度变小，会导致第一振型的频率变小，周期会变大，这与增大的阻尼一起相结合，这样就可以使地震影响系数变小，减少地震下的作用。除此以外，由于建筑物结构有了足够的变形能力和足够大的滞变阻尼，使得建筑物底部产生较为均匀的应力分布，这很好地利用了结构材料的性能，同时还能避免一些常见的基础底部破坏发生的可能性。2.1隔震基本原理结构隔震的基本原理就是在结构的基础与其底部之间设置一层“隔离层”来控制在地震作用时地面传给上部结构的的运动。整个隔震体系的简化图包括3部分：上部结构、隔震装置与下部结构，如图2。在结构体系中安装了隔震装置后，隔震装置可以使结构的自振周期变长，增加的阻尼值可以增加结构在经受地震作用时耗散地震传给结构的能量。地震传给结构的能量大部分让隔震体系吸收，使得结构自身吸收的能量变得较小，保证了结构不会轻易被地震所带来的巨大能量所破坏。增加了隔震体系之后，我们可以清楚地知道：与传统抗震结构相比，安装隔震体系的结构可以明显减弱了结构的地震反应。抗震的思路十分明了，其机理也比传统抗震体系简单，可以用于已完成的建筑物中，对其进行抗震加固改造。这里有一点值得注意的是，由于我们是在结构的基础与其底部之间设可隔离层，所以在地震作用下，地面的水平运图1传统抗震与隔震结构的比较图2隔震体系图3结构变形比较武汉理工大学4动只会让上部结构产生一个整体的平动，而上部结构之间并没有太大的相对位移如左图3，充分保证了结构的安全性。即使是经受地震作用后，结构也不需要对上部结构进行很大的修整，只需要对隔震元件进行修复。隔震技术系统有很多类型，这里对在工程界最为广泛使用的三种隔震技术—橡胶隔震支座、滑移隔震、阻尼器以及它们的工程应用例子[6]。3橡胶隔震支座橡胶隔震支座[7]是现在世界上各类隔震结构中最为常用的一类隔震装置，主要包括了铅芯橡胶隔震支座、天然橡胶隔震支座以及高阻尼橡胶隔震支座。3.1橡胶隔震支座简介橡胶隔震支座是当今工程界应用最为广泛和常用的一类隔震装置。右图4为铅芯橡胶支座的一个三维图，它在天然橡胶支座的中心或者中心周围竖直压入一个或几个纯度为99.99%以上的铅芯。这里值得提一点是，铅是一种较为理想的弹塑性体，且对于塑性循环拥有良好的耐疲劳性能。同时,由于铅芯在中间的缘故，对于支座的初始刚度有了明显的增加，在经受一些常态荷载时，如风荷载与制动力等非常有利，可以大大增强其隔震作用。铅芯橡胶隔震支座具有多种优点[8]，如构造较为简单、加工制造规范成熟、安装方便、容易操作等。一般的铅芯橡胶隔震支座具有以下一些特性[9]：（1）竖向承载特性，即铅芯橡胶隔震支座具有优秀竖向的承载力，能够满足结构在发生横向变形时所需要的竖向承载力[10]。3.2橡胶隔震支座的研究现状在1980年后，我国的众多学者已经开始关注橡胶支座隔震技术。到了1990年以后，国家各个科研团体开始承接橡胶隔震支座研制项目，并且在这段时间里进行了对橡胶隔震支座一系列的试验研究，总结了橡胶隔震支座的设计方法、产品的性能检测手段与技术，得出了橡胶隔震支座建筑的成套技术。在1995年，周锡元等人根据实际工程的需要，对橡胶隔震支座的临界荷载与稳定性进行的深入的研究，并对橡胶隔震支座在计算中的简化问题给出了一系列的结论图4铅芯橡胶支座实图图3位移比较武汉理工大学51996年起，全国各地的地震灾害频繁发生的地区如江苏、四川、广东等地都相应开展了对橡胶隔震支座的研究开发试验，得出许多对以后隔震方面有重要影响的结论。3.2橡胶隔震支座的工程应用这例子是建设部进行隔震试点工程[11]时，在铁匠营小区建设试点的住宅，由南京大都市房产开发公司承担开发。这工程为七栋多层建筑组成，而每个建筑都设置地下车库1层。该开发公司在底部地下车库的框架结构柱顶端处将其与上部建筑结构断开,安装了铅芯橡胶隔震支座。该铅芯橡胶隔震支座由无锡圣丰减震器厂生产，其中试点使用的四种规格为GZY300～GZY600橡胶隔震支座,设计时按8度设防考虑,其目的主要是为了增加结构的安全度。下表为四种铅芯橡胶隔震支座的产品设计力学指标。表1产品设计力学指标在隔震对于建筑物的上部结构，开发公司使用了三种类型：一种为全框八层,一种为二托五底框结构,另一种为一托六底框结构。在工程竣工后，开发公司将钢构件覆盖或包封起来,使之形成保护层，从而提高了结构的耐火性能。之后建设部对建筑物进行一系列的抗震试验，并通过了抗震验收。而在安装铅芯橡胶隔震支座前，工程人员进行了对工程所用的各类型的原型元件抽样送检，而且每种类型抽出不少于3个的。检测后，所有元件的检测结果都是合格，即合格率达到100%，下表为铅芯橡胶支座在实测后得出的相关数据。表2铅芯橡胶支座实测数据武汉理工