浅谈建筑隔震橡胶支座的原理、制造及应用

浅谈建筑隔震橡胶支座的原理、制造及应用庾光忠，冯正林，胡宇新，郭红峰，周函宇（株洲时代新材料科技股份有限公司，412007）摘要：介绍建筑隔震橡胶支座产品的设计理念、隔震原理、技术特性、性能参数；介绍建筑隔震橡胶支座产品一般的生产过程、检测过程和控制要点；说明建筑隔震橡胶支座这种新型隔震产品有着良好的应用前景、社会效应和经济效益。关键词：地震；隔震；基础隔震技术；建筑隔震橡胶支座；地震是一种危害性极大的随机性自然灾害，地震的发生带给人类的是巨大的灾难，人们在与其长期地抗争过程中，不断地总结经验，寻求更好的抗震防灾措施，使抗震理论日趋发展。在“5.12”汶川地震发生后，某著名建筑设计大师曾指出：“我国现在的抗震技术已经达到世界水平，只要采用先进的抗震设计，像5.12汶川大地震所产生的后果是完全可以减轻的。”21世纪的中国已经拥有与美国、日本等先进国家同等级的抗震技术——基础隔震技术。当前最先进的基础隔震技术是通过一种高新技术产品——建筑隔震橡胶支座，将上部建筑结构与下部地基结构隔离，由于建筑隔震橡胶支座中的隔震层水平刚度小，柔性强，当地震发生时隔震层将发挥“隔”震的作用，代替上部结构承受地震强烈的位移动力，以此来隔离或耗散地震的能量，避免或减少地震能量向上部结构传输；增设的隔震层可以延长结构的自振周期并给予结构较大的阻尼，使上部建筑结构的反应减小到相当于不隔震情况下的1/4～1/8，近似平动，从而起到“隔离”地震的作用。一、建筑隔震橡胶支座的隔震基本原理建筑隔震橡胶支座隔震的基本原理是通过增设橡胶隔震支座，使整个建筑的自振周期得以延长，以减轻上部结构的地震反应。一般做法是在建筑物底部设计一层隔震层，在隔震层设置橡胶隔震支座，利用橡胶隔震支座的水平柔性形成一道柔性隔震层，通过柔性隔震层吸收和耗散地震能量，阻止并减轻地震能量向上部结构的传递，最终达到减轻上部结构地震破坏的目的。这种隔震技术不仅可以保证结构的整体安全，并且能够防止非结构部件的破坏，避免建筑物内部装修、室内设备的损坏以及由此引起的次生灾害[1]。隔震设计技术的基本原理可以通过如下图示来表示。假设一个结构悬浮于地面，如图1-a所示，则地震作用不会对结构产生影响，但由于结构还有自重，这样的情况几乎不可能发生。为了承担结构的自重，可以用摩擦力非常小的滚珠来代替示意，如图1-b，滚珠在竖向支撑结构，而在水平方向与悬浮的情况近似，在水平地震作用下结构不会产生响应，但建筑物会滑移到其它位置而不能复位。因此，为了使结构复位，需要在结构中设置水平弹簧，如图1-c所示，但如果仅有弹簧，一旦产生振动后就很难停止，因此必须在结构中设置阻尼装置，以阻止振动的持续。任何一个隔震结构都可简化为图1－b或图1－d的情形，隔震结构就是在传统的抗震结构的基础与上部结构之间增加了一个可以隔离地震的装置。从以上的分析可知，隔震装置主要由滚珠、弹簧和阻尼构成，滚珠的作用是在竖向支撑建筑物，而在水平向可以自由滑动，弹簧对结构进行复位，阻尼消减振动的幅度。其中，弹簧和阻尼的大小会影响减震的效果。假设图1-2d中的阻尼很小，就相当于图1－c的情形，建筑物会在弹簧恢复力的作用下一直振动下，这对上部结构非常不利。当阻尼增加非常大时，并非有利于减震的效果。因此，对一个隔震结构而言，需要选择适当的弹簧和阻尼，才能达到理想的减震效果，具体到建筑隔震橡胶支座，就是对支座的水平等效刚度和等效阻尼比进行合理设计和选择。图1-a图1-b图1-c图1-d二、建筑隔震橡胶支座产品的基本结构隔震橡胶支座是隔震建筑的关键部件，其性能好坏直接关系到隔震建筑的隔震效果及隔震建筑的安全性。目前在基础隔震技术上所用到的建筑隔震橡胶支座主要有三种类型：普通天然橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座，建筑隔震橡胶支座由多层橡胶和多层钢板交替叠置硫化而成，其形状大多是圆柱型，图2为一种铅芯隔震橡胶支座的结构示意图。图3是笔者公司所生产一种铅芯隔震橡胶支座实物照片。目前工程上使用的建筑隔震橡胶支座的基本特征是：橡胶隔震支座内分层设置的薄钢板对橡胶超约束作用，使建筑隔震橡胶支座支座具有很高的竖向承载能力，能够在正常使用状态下和地震时承受建筑物的荷重，而不产生过大的变形。此外，由于薄钢板的设置方式基本上不影响建筑隔震橡胶支座的水平柔性，使橡胶隔震支座的水平刚度较小，从而使得整个地震体系的自振周期得以延长，达到减震隔震的目的。一般情况下，建筑隔震橡胶支座的水平刚度和竖向刚度数值相差约几百到千倍。图2一种铅芯隔震橡胶支座结构示意图图3一种铅芯隔震橡胶支座产品实物照片三、建筑隔震橡胶支座的基本特性经过行业内多年的研究和试验积累，目前行业内对建筑隔震橡胶支座有了一个较为全面的认识和了解，建筑隔震橡胶支座主要有以下几个基本特性[2]：1、竖向变形特性建筑隔震橡胶支座只承受竖向纯压缩载荷时，竖向载荷-位移曲线显示出弹簧特性，在设计面压载荷范围内近似为线性关系。普通橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座的竖向变形特性基本一致，铅芯橡胶隔震支座竖向加载时，铅芯基本不承受竖向压力。2、水平变形特性普通橡胶隔震支座当设计竖向压力恒定时，水平载荷-位移曲线接近线性，滞回曲线的等价阻尼比约为1%～3%。对于铅芯橡胶隔震支座，当设计竖向压力恒定时，水平载荷-位移滞回曲线轮廓呈菱形，滞回曲线的等效刚度随水平位移增大而降低，等价阻尼比则趋于常数，可达20%以上，吸收的能量转化为热能，铅棒的温度会有一定升高。对于高阻尼橡胶隔震支座，水平载荷-位移滞回曲线轮廓呈梭形，等价刚度随着水平位移的增加而逐渐减小，在变形较大的区域内，等价阻尼比表现为定值，通常可达到l0～20%。3、拉伸性能在地震时，工程结构物或建筑物可能会产生较大摇摆，建筑隔震橡胶支座就会产生较大的水平剪切变形，某些橡胶支座的横断面可能就会产生拉应力。所以建筑隔震橡胶支座必须具有一定的受拉承载能力，才能确保建筑结构物在地震的多维地面运动综合作用下，隔震橡胶支座不拉断始终保持结构稳定性，发挥隔震功能。综合国内外行业设计经验，以及建筑结构物的实际设计需要，一般情况下，建筑隔震橡胶支座的设计容许拉伸应力以不大于2.0Mpa为宜。4、剪切特性相关性建筑隔震橡胶支座的剪切特性主要体现在不同工况下的水平等效刚度变化特性，与设计压应力、设计剪应变、加载频率、反复加载次数以及本体温度有关。在通常情况下，建筑隔震橡胶支座的剪切特性符合以下规律：1）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着设计压应力的增大略有降低，在压应力超过一定值（如10Mpa）时，变化幅度更小，在工程应用上基本忽略不计；2）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着剪应变的增大而降低，当剪应变很大时（如超过300%），水平等效刚度又会有所提高；3）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着加载频率的提高而略有提高，但变化微小，在工程上基本忽略不计；4）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着水平反复加载次数的增加略有减小，但变化值微小，在工程上也基本忽略不计；5）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着橡胶支座本体温度的升高而降低，但在不同的剪应变情况下变化程度有所不同。5、耐久性建筑隔震橡胶支座布置于隔震建筑的基础隔震层，需要经过50～100年（甚至更长时间）的使用，经历长期恒定载荷、多次地震冲击荷载，以及环境大气的长期作用，仍需保持符合要求的承载力、回弹性、刚度、阻尼等力学性能。耐久性的目标是确保建筑隔震橡胶支座的正常使用寿命不低于工程结构本身的使用寿命（一般为50年）。四、建筑隔震橡胶支座产品的材料要求为使橡胶隔震支座能够满足正常的使用功能，对橡胶隔震支座制作的材料也有一定的要求。一般来讲，橡胶隔震支座的制作材料主要有三类：橡胶材料、钢板和铅芯。其中橡胶的物理机械性能一般情况下应满足GB20688.3-2006《橡胶支座第3部分：建筑隔震橡胶支座》附录B中表B.1的要求。钢板的机械性能应满足GB/T700-2006《碳素结构钢》中Q235A钢板的规定和要求。铅芯一般采用纯度不低于99.9%的铅锭，铅的材质和性能应符合YS/T636-2007《铅及铅锑合金棒和线材》的规定和要求。五、建筑隔震橡胶支座的基本制造技术橡胶隔震支座为了能够实现相关功能，对橡胶隔震支座的制造技术有着较高要求。通常情况下，橡胶隔震支座需按照以下制造工艺流程才能完成。1、橡胶材料准备：选用合适配方和材料，在制造厂炼胶，制造出符合要求的半成品-橡胶混炼胶，炼胶一般采用密炼技术（图4为笔者公司所用的K4密炼机）；2、表面处理：由于橡胶隔震支座由多层薄钢板与硫化而成，薄钢板必须先进行表面处理，一般采用磷化或喷砂处理；然后须在表面喷涂胶粘剂，才能保证钢板与橡胶之间的粘接（图5为笔者公司的钢板表面处理生产线）；3、硫化：橡胶隔震支座成型必须通过硫化才能完成，而硫化的工艺及参数的选取较为复杂，需要根据产品规格大小和性能要求才能确定；（图6是笔者公司生产用硫化设备）4、组装：根据建筑设计要求，将连接钢板与橡胶隔震支座进行组装，完成全套产品的制造。对于一般工程来说，还需要由制造厂家提供预埋板等其它配件。（图7是笔者公司用于产品检验的检测设备，目前国内最大吨位检测设备）图4建筑隔震橡胶支座用橡胶材料生产线图5建筑隔震橡胶支座用钢板表面处理生产线图6建筑隔震橡胶支座硫化生产设备图7建筑隔震橡胶支座检测设备六、建筑隔震橡胶支座产品性能试验要求建筑隔震橡胶支座在新产品研发的过程当中，一般需要完成如下型式试验：竖向刚度试验（图8）、水平剪切性能试验（图9）、剪切性能相关性试验、极限剪切性能试验（图10）、老化试验、徐变试验（图11）等[3]。图12到图15为建筑隔震橡胶支座系列产品的部分刚度试验曲线。产品出厂试验一般只需要完成竖向刚度试验和水平剪切性能试验。图8建筑隔震橡胶支座竖向刚度试验图片图9建筑隔震橡胶支座水平刚度试验图片图10建筑隔震橡胶支座极限剪切试验图片图11建筑隔震橡胶支座徐变试验图片-300-200-1000100200300-180-120-60060120180HorizontalDisp.(mm)HorizontalLoad(kN)-450-300-1500150300450-180-120-60060120180HorizontalDisp.(mm)HorizontalLoad(kN)图12普通橡胶支座的水平载荷-位移曲线图13铅芯橡胶支座的水平载荷-位移曲线-180-120-60060120180-150-100-50050100150HorizontalDisp.(mm)HorizontalLoad(kN)0150030004500600001234VerticalDisp.(mm)VerticalLoad(kN)图14高阻尼橡胶支座的水平载荷-位移曲线图15橡胶隔震支座的竖向载荷-位移曲线七建筑隔震橡胶支座产品的应用实例建筑隔震橡胶支座已经在国内外广泛应用，在西方国家应用更早，1977年法国第一次将橡胶隔震技术应用于原子能反应堆中。目前，世界上超过30多个国家在开展这方面的研究，这项技术已被应用在桥梁、建筑，甚至是核设施上。80年代以来，基础隔震技术研究开始在我国得到重视，国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了研究，取得了很大的进展。国内第一幢使用橡胶隔震支座房屋（图16），位于汕头市，1991年建成，楼高8层，目前已经经历过两次地震，都完好无损。图16国内第一栋使用隔震橡胶支座房屋图片和目前使用隔震橡胶支座的最高建筑八、结束语从世界范围来看，基础隔震技术的应用从1994年1月17日洛山矾地震和1995年1月17日日本阪神大地震之后，又进人了一个崭新的阶段，尤其在日本、美国、新西兰等国家的地震频发地区，隔震技术的应用已开始深人人心。这些国家已制定了相应的隔震规范、规程，并已进行了较大规模的应用，积累了相当的应用技术经验。我国学者从80年代初就开始进行了隔震建筑的研究和实践，国内各建筑设计院、地震研究院均展开基础隔震技术的深入研究。2009年11月17日，“第十一