淺析建筑結(jié)構(gòu)三維隔震技術(shù)

田坤

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 概述

隔震結(jié)構(gòu)是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期、增大阻尼、減小輸入上部結(jié)構(gòu)的地震作用，達(dá)到防震要求。

地震作用是三維的，較大分量的豎向地震，成為結(jié)構(gòu)倒塌的重要誘因。水平隔震通過設(shè)置水平隔震層，延長上部結(jié)構(gòu)的周期，減小結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)；豎向隔震通過豎向隔震裝置，延長上部結(jié)構(gòu)的周期，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)減小。

2 三維隔震裝置

三維隔震支座一般分為兩個部分：水平方向隔震的橡膠支座和豎向隔震裝置。水平方向一般采用技術(shù)成熟的鉛芯橡膠支座，而三維隔震支座根據(jù)豎向隔震裝置主要有以下五種。

2.1 摩擦-彈簧三維復(fù)合隔震支座（MTFGZ支座）

在水平隔震方面，采用的是聚四氟乙烯板滑移裝置，在滑移的過程中耗散地震輸入的能量，設(shè)置的水平方向彈簧剛度可以調(diào)節(jié)，來延長結(jié)構(gòu)自振周期，并且還能提供水平恢復(fù)力，實(shí)現(xiàn)震后結(jié)構(gòu)復(fù)位的功能。豎向隔震方面，布置豎向彈簧來調(diào)節(jié)隔震支座的豎向剛度，選擇合理的豎向剛度來減小結(jié)構(gòu)的豎向地震反應(yīng)。豎向隔震裝置采用螺旋壓縮彈簧或者碟形彈簧，兩者各有優(yōu)點(diǎn)。螺旋壓縮彈簧是線性變形，剛度穩(wěn)定，加工方便，但是承載力和阻尼較小；碟形彈簧的剛度相比較螺旋彈簧較大，可以提供豎向阻尼，呈現(xiàn)一定的滯回性能，但是價格較高，構(gòu)造比較復(fù)雜。

2.2 豎向隔振-水平隔震支座

該支座具有水平隔震、豎向隔振的作用，它由連接板、豎向隔振支座和水平隔震支座構(gòu)成。水平隔震支座可采用高阻尼橡膠支座、普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座和滑板支座等技術(shù)成熟的支座產(chǎn)品，水平剛度小，可以達(dá)到水平隔震的作用。豎向隔振裝置可以使用多層橡膠，其豎直剛度小，可以達(dá)到豎向隔振的作用。此種三維隔震支座在實(shí)際工程中已有應(yīng)用，對地鐵引起的振動有良好的效果。

2.3 環(huán)形彈簧三維隔震抗傾覆支座

下半部分采用環(huán)形彈簧來實(shí)現(xiàn)豎向隔震，彈簧的外面是特殊設(shè)計(jì)的圓筒，圓筒的上端部向內(nèi)延伸一翼緣，上部抗拉橡膠支座下端連接與彈簧直接接觸的圓形小聯(lián)結(jié)板，當(dāng)彈簧從受壓回到平衡位置時，圓筒的上部翼緣限制小聯(lián)結(jié)板與彈簧的豎向位移，使其不再向上移動，起到限位的作用，上部抗拉橡膠支座內(nèi)的鋼絲繩張緊，起到抗傾覆的作用。

2.4 厚橡膠層三維隔震抗傾覆支座

該支座下部分構(gòu)件是添加了鋼絲繩的疊層厚橡膠支座，鋼絲繩在初始狀態(tài)下是張緊的，當(dāng)支座受拉時，鋼絲繩與疊層厚橡膠支座共同承受拉力。疊層厚橡膠支座的上下聯(lián)結(jié)板各焊一個圓筒，兩個圓筒套在一起，起到導(dǎo)向作用，限制疊層厚橡膠支座的水平位移，防止失穩(wěn)。

2.5 碟形彈簧為豎向隔震支座

2.5.1 3DIB不需額外附加豎向阻尼器的組合式三維隔震支座

由組合式碟形彈簧豎向隔震支座（DSB）和鉛芯橡膠支座兩部分串聯(lián)而成。上部分為DSB，采用不同尺寸的多個碟形彈簧柱并聯(lián)而成，通過不同尺寸的碟形彈簧搭配和組合，使支座的高度減小，并且豎向剛度又不會太大，碟形彈簧的數(shù)量較多，不需要外加阻尼器DSB就會有較高的豎向阻尼，實(shí)現(xiàn)豎向隔震。下部串聯(lián)鉛芯橡膠支座來實(shí)現(xiàn)水平隔震。

2.5.2 SMA三維隔震支座

由疊層橡膠支座、形狀記憶合金（SMA）絞線、碟形彈簧三部分組合而成,在疊層橡膠支座安裝形狀記憶合金絞線，繞過固定在對面鋼板的滑輪，兩端固定于鋼板兩側(cè)，當(dāng)疊層橡膠支座產(chǎn)生水平位移時，形狀記憶合金絞線就會產(chǎn)生變形，提供恢復(fù)力和阻尼力。

2.5.3 碟形彈簧三維隔震抗傾覆支座

由上下兩部分串聯(lián)而成：上部分是橡膠墊，添加了鋼絲繩使其具有抗拉能力；下部分是碟形彈簧，碟形彈簧外面是導(dǎo)向圓筒。當(dāng)支座收到拉力時，導(dǎo)向圓筒的向內(nèi)翼緣阻擋碟形彈簧向上運(yùn)動，橡膠支座的鋼絲繩起到抗拉的功能，防止結(jié)構(gòu)傾覆。

2.5.4 鉛芯橡膠支座與鉛芯碟形彈簧串聯(lián)組成的三維隔震支座

下部采用鉛芯橡膠支座，有適宜的阻尼性能與水平剛度，具有良好的水平隔震效果。上半部分是鉛芯碟形彈簧支座，它是由碟形彈簧串并聯(lián)組合，將擠壓鉛阻尼器導(dǎo)筒裝在中心孔上，并且導(dǎo)筒還具有限制鉛芯碟形彈簧水平位移的作用，使它幾乎只存在豎向位移，鉛芯碟形彈簧具有適當(dāng)?shù)呢Q向剛度和阻尼，起到豎向隔震作用。這種三維基礎(chǔ)隔震支座具有三向適宜剛度和阻尼性能，并且剛度和阻尼調(diào)整方便，加工制作簡單，性能穩(wěn)定。

2.5.5 采用碟形彈簧的豎向半主動三維隔震裝置

它是由疊層橡膠支座和豎向半主動隔震裝置組合而成。豎向半主動隔震裝置由外套油缸和碟形彈簧組合而成，通過電磁閥控制油缸內(nèi)油體與外接儲油箱油體之間的油路。當(dāng)結(jié)構(gòu)未遭受地震或地震時豎向加速度反應(yīng)未超過限定值時，電磁閥關(guān)閉，豎向隔震裝置的豎向剛度很大；當(dāng)遭受地震使結(jié)構(gòu)的豎向加速度反應(yīng)超過限定值時，電磁閥開啟，豎向隔震裝置提供較小的豎向剛度，并且還可以提供一定的豎向阻尼，起到豎向隔震的作用。

2.5.6 帶菱形鋼板阻尼器的三維隔震支座

主要由鉛芯橡膠隔震支座、組合碟形彈簧和菱形鋼板耗能阻尼器3部分組成。在組合碟形彈簧中間設(shè)置導(dǎo)向軸，并且在導(dǎo)向軸頂端設(shè)置抗拉擋板和抗拉螺栓，防止上連接板受到較大拉力時脫離碟形彈簧，菱形鋼板阻尼器的中間通過在螺桿連接在上聯(lián)結(jié)板，兩端支撐在中間連接板的支撐架上，組合碟形彈簧和菱形鋼板阻尼器兩者組成豎向隔震系統(tǒng)。在豎向隔震系統(tǒng)的下部安裝鉛芯橡膠支座，實(shí)現(xiàn)三維隔震。

3 三維隔震結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

三維隔震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗(yàn)完成的較少。1984年，Staudacher用天然橡膠塊作為建筑的三維隔震支座進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)。1996年，F(xiàn)ujita等對橡膠支座和螺旋彈簧組合構(gòu)成三維隔震系統(tǒng)的模型進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)。2002年，Kagcyama等對鋼絲加強(qiáng)型空氣彈簧作為三維基礎(chǔ)隔震的1/4.5模型進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)。2007年，孟慶利等進(jìn)行了豎向半主動隔震裝置與橡膠隔震支座組合實(shí)現(xiàn)三維隔震的模型試驗(yàn)。2010年，顏學(xué)淵等對裝有碟形彈簧三維抗傾覆支座的鋼框架模型進(jìn)行振動臺試驗(yàn)。2012年，魏陸順等進(jìn)行了豎向隔震層與水平隔震層分開布置的模型試驗(yàn)，取得了良好的效果。

結(jié)語

雖然對三維隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些列的研究，但是仍然存在一些問題：三維隔震裝置的構(gòu)造太過復(fù)雜，使得隔震裝置的造價過高，不利于推廣應(yīng)用；三維隔震結(jié)構(gòu)的傾覆問題，這直接影響到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，是要重點(diǎn)解決的的問題；隔震層模型力學(xué)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)對應(yīng)的定量化關(guān)系尚不明確。這些問題都有待于進(jìn)一步研究。

[1]魏陸順.三維隔震（振）支座的工程應(yīng)用與現(xiàn)場測試[J].地震工程與工程振動，2007（27）:121-125.

[2]張永山.三維隔震抗傾覆支座力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2009（26）:267-272.

[3]顏學(xué)淵.三維隔震抗傾覆結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)[J].工程力學(xué)，2010（27）:91-96.