滾動隔震支座的研究與發展★

王珊珊 隋杰英 章 蓉 孫曉東

(青島理工大學土木工程學院，山東青島 266033)

0 引言

從古至今，地震的發生均具有隨機性、不確定性以及突發性等特點，人類的生命安全、財產安全受到其嚴重的威脅，因此結構工程領域一直將抗震研究作為重要課題。

近年來經濟的快速發展加快了城市化的進程，各種高聳建筑、大跨橋梁、大跨空間建筑等大規模涌現，因此由地震災害造成的經濟損失將是無法估量的。“小震不壞，中震可修，大震不倒”是目前許多國家建筑抗震設計的基本準則，這種傳統的抗震設計目的在于保證建筑結構具有足夠的剛度、強度和延性，以達到減輕震害和降低經濟損失的目的。但傳統的抗震方法本身存在著不可避免的缺陷，這種以生命安全為目標的單一抗震設防目標是不全面的、滿足不了人們的要求。20世紀70年代初，工程抗震學科中出現了對地震由“抗”變“導”的結構振動控制技術，這是一種積極主動的減隔震方法，且隔震體系能有效地減少地震能量向上部結構的輸入(見圖1)。因此，以基礎隔震方式取代傳統的結構抗震設計方式，來增強建筑抵御地震災害的能力已成為結構工程防震減災領域的研究熱點。

1 基礎隔震

1.1 基本思想［1］

基礎隔震即隔離地震波對結構的作用，其隔震設計的基本思想是:在整個結構物與基礎之間設置隔震層，或者是將其坐落在起隔震作用的地基或基礎上，利用隔震層裝置的有效工作，減少和限制地震波向上部結構的輸入，控制上部結構地震作用效應和隔震部位的變形，以減小結構的地震響應，提高結構的抗震安全性。

圖1 傳統抗震與基礎隔震對比

1.2 隔震原理

通常情況下地震動的典型卓越周期約為0.1 s～1.0 s，因此在地震時極易發生共振的就是自振周期為0.1 s～1.0 s的中低層結構。隔震裝置的作用就是通過減小結構剛度使得結構自振周期大大延長，以避開地震動卓越周期，避免了共振和接近共振現象的發生，且使震動引起的建筑物變形集中到隔震裝置上，隔斷大部分地震能量的上傳。這在很大程度上減少了地震時上部結構的加速度反應和層間位移反應(見圖2，圖3)，從而較大的減少了上部結構的地震反應，達到隔震減震的目的。

圖2 加速度反應譜

圖3 位移反應譜

1.3 基礎隔震系統的特性及優越性

為了達到明顯減震效果，通常基礎隔震系統需要具備以下四種特性:

1)承載特性:具有足夠的豎向強度和剛度以支撐上部結構的重量;

2)隔震特性:具有足夠的水平初始剛度，在風載和小震作用下，體系能保持在彈性范圍內，滿足正常使用的要求，而中強地震時，其水平剛度較小，結構為柔性隔震結構體系;

3)復位特性:因其隔震裝置的水平彈性恢復力，在地震中隔震結構體系具有瞬時“復位”功能;

4)阻尼耗能特性:隔震裝置本身具有較大的阻尼，地震時能耗散足夠的能量，從而降低上部結構所吸收的地震能量。

與傳統抗震建筑物相比，其優越性體現在:可有效的減輕結構的地震反應，提高了結構的安全性;上部結構的建筑設計自由度增大;可防止非結構構件的破損，震后修復方便快捷;可防止內部物品的振動、移動、翻倒;可抑制振動時的不適感，提高了居住性和安定感。

2 隔震建筑的減震效果舉例

隔震建筑的減震效果在20世紀90年代的幾次實際地震中得以證實，消除了人們對隔震技術的疑慮。以下是一些實際建筑的強震記錄:

1)1992年2月2日，日本東京灣地震，震級5.9級，在日本東京都小金井市兩棟同規模住宅樓毗鄰而建，地上3層，鋼筋混凝土框架—剪力墻結構。一個用疊層橡膠支座隔震，另一個是傳統的抗震建筑。地震時記錄到兩棟建筑物第3層Y方向的最大加速度，隔震建筑為44 gal，而抗震建筑為209 gal，隔震建筑的屋面最大加速度僅為抗震建筑的1/5左右［2］。

2)1994年1月17日，美國洛杉磯北嶺地震，震級6.7級，震中附近有兩座醫院，其中南加州大學醫院采用疊層橡膠支座基礎隔震，橄欖景醫院為傳統抗震建筑。地震時南加州大學醫院屋面最大加速度僅為橄欖景醫院屋面最大加速度的1/10左右［2］。

3)1995年1月17日，日本阪神地震，震級7.2級，距震源東北35 km有兩棟建筑，其中松村組技術研究所研究大樓為3層的鋼筋混凝土結構，采用高阻尼疊層橡膠支座，毗鄰的管理大樓為3層的鋼結構抗震建筑，地震時，隔震建筑的屋面水平向最大加速度僅為抗震建筑的1/5～2/5，但豎向加速度并未減小，因為疊層橡膠支座不能減小豎向的振動［2］。

4)我國汕頭市有兩棟毗鄰而建的規模相同的8層框架住宅樓，其中一棟為傳統抗震建筑，另一棟采用疊層橡膠支座隔震，當1994年9月16日我國臺灣海峽發生7.3級地震時，隔震建筑基本無震感，而采用傳統抗震技術的住宅樓出現劇烈搖晃［3］。

從這些記錄中可以看出，隔震裝置具有明顯的減震效果，并且有足夠的耐久性，可使上部結構的加速度減小到不隔震時的1/5～1/3，使人身及財產安全可以得到有效的保護。

3 滾動基礎隔震的研究

滾動隔震即在基礎與上部結構之間鋪設具有良好滑動性能的滾球或滾軸，使基礎與建筑物之間產生相對滑動，并利用摩擦阻尼來消耗地震能。目前現有的滾動隔震裝置包括:滾球加復位消能裝置、雙向滾軸加復位消能裝置、滾球帶凹形復位板、碟形和圓錐形支座等幾種形式。

滾動隔震支座在國內研究發展狀況:

1)王榮輝提出了一種滾珠—限位橋墩基礎隔震系統，并對其進行了模型試驗，之后通過數值方法對這種隔震系統限位裝置的剛度與隔震效果進行了比較計算，研究結果表明:該隔震系統能對水平地震力起到有效的隔離作用。此后他又提出一種由鋼球、豎向彈簧和插銷組成的新型豎向彈簧—鋼球隔震系統(見圖4)。通過“對號入座”法則和勢能不變值原理建立了該隔震系統的振動方程，分析了該隔震系統地震反應與不同參數之間的關系。結果表明，該隔震系統構造簡單，易于制作，隔離水平地震的作用效果十分顯著［5］。

圖4 豎向彈簧—鋼球隔震系統

2)基于對摩擦擺隔震和自由滾軸隔震的研究，豐定國提出了一種帶有凹形復位板的隔震裝置，其剛體計算模型如圖5所示，這種球形隔震裝置特點是具有復位功能，能使結構的地震響應較大減小。由數值分析得知在某些地震波的作用下，結構將會發生共振。但與共振頻率有關的僅僅是基底裝置的振動頻率，與結構的動力特性幾乎不相關。可通過調整隔離裝置的參數，使其自振頻率遠離地震波的主頻率，提高基底隔震結構的抗震能力。此外，滾動摩擦系數，剛性球的半徑及基礎板的質量對基底隔離結構的響應均有很大影響，而球形凹槽的半徑對其影響很小［6］。

圖5 帶凹形復位板的隔震裝置

3)史紅福把帶凹形復位板隔震裝置與滾球加彈簧復位的優點進行綜合，由此提出了一種新型基礎隔震模型——滾球帶凹形復位板加彈簧隔震裝置模型。通過sumlink仿真技術和Matlab編程分析發現，良好的減震效果是此隔震裝置特點之一，更重要的是它能更有效地限制底板位移，因其能適合各類地震的情況，同時具有兩種滾動裝置的作用，能夠確保滾球始終在凹形復位板內連續滾動，所以其綜合性能優勝于前兩種隔震裝置［7］。

4 研究發展新突破

盡管國內外學者對隔震理論的研究開展了大量的工作，各種實用隔震器已經應用于實際工程，但疊層橡膠隔震和滑移摩擦隔震都未能很好的解決上拔力的問題。

日本在2002年開發了一種直線式滑動隔震支座，并將其應用在了日本大阪的辦公樓。該支座的特點是豎向抗壓和抗拔能力很大，最大可承受壓力45 000 kN，最大上拔力達到18 000 kN。這種直線式滑動隔震裝置被業內人士普遍認為是從低層獨戶房屋到超高層建筑中都可使用的隔震裝置，必將成為下一代的多用途基礎隔震裝置［8］。

吳冬梅在2007年結合使用形狀記憶合金SMA，設計了一種類似于直線式滑動支座的滾動支座——SMA—滾動隔震支座(見圖6)，并將其應用于火炬塔的基礎部位，建立支座恢復力模型，進行該體系在EI-Centro地震波作用下發生的時程反應研究，并進行了與非隔震火炬塔結構體系的對比分析。最終結果表明，SMA—滾動隔震支座隔震體系的質量層最大絕對加速度可減少86.6%，上拔力減少了72.9%，軸力最大可減少87.2%［9］。

圖6 SMA—滾動隔震支座模型圖

蔡錦榮、劉樹棠介紹在輸電塔基礎處設置SMA彈簧—軸承滾動支座的地震響應分析(見圖7)，對滾動支座采用SMA彈簧作為復位和耗能元件，獲得了較好的隔震效果，時程分析結果表明輸電塔的構件內力、上拔下壓力及層間位移顯著降低，結構變形接近于整體平動［10］。由以上可以看出，將形狀記憶合金(SMA)引入到滾動隔震支座中，使滾動隔震裝置既有復位功能又有耗能作用，將是滾動隔震研究發展的新方向。

圖7 SMA彈簧—軸承隔震支座剖面圖

目前結構隔震領域研究中，水平隔震技術已日趨成熟，豎向隔震技術研究較少，然而在近十年來的數次地震中，豎向地震作用顯著，豎向抗震理論的研究備受關注。滾動隔震裝置的一個缺陷是不能隔離豎向地震作用，但增加結構的豎向隔震能力也是良好隔震裝置的要求。

2004年，熊世樹等創新地提出一種鉛芯橡膠碟簧三向隔震支座(3DB)，該隔震支座可以有效地解決三向隔震問題［11］。3DB隔震裝置的下部是鉛芯疊層橡膠支座(LRB)，上部是加有阻尼材料的碟形彈簧支座(DSB)，3DB隔震層由LRB與DSB串聯而成，DSB中設置有導向筒，使其在荷載作用下幾乎只產生豎向位移。通過試驗得出的滯回曲線來看，3DB的水平和豎向阻尼性能較好，阻尼比容易達到20%，3DB隔震裝置有效地解決了三向隔震支座的豎向阻尼難題，并可以有效抑制搖擺，隔震后的地震反應比不隔震結構降低了50%，柱子的地震軸力降低了75%以上。2010年，顏學淵等人應用一種蝶形彈簧三維隔震抗傾覆支座(3D-BIORDDS)對一高層鋼框架模型結構進行了隔離三向地震動激勵的振動臺試驗［12］。試驗結果表明:不管是短周期地震動還是長周期地震動裝置都能夠較好地減小結構的三向地震響應;但是結構的傾角反應較大，表明支座的豎向剛度應當進行更加合理的設計，以滿足可使用性要求。可見將蝶形彈簧與滾動支座相結合解決裝置的豎向抗震問題是一個很好的思路。

5 結語

在基礎隔震結構中，疊層橡膠支座經過30多年的發展，理論研究已趨于成熟，而滾動隔震剛剛起步，將是今后隔震支座研究的一個重點。將SMA與滾動支座相結合提高結構抗震效果及自復位能力，再結合蝶形彈簧考慮豎向隔震問題，將是今后研究的熱點方向。

［1］李愛群.工程結構減震控制［M］.北京:機械工業出版社，2008.

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［5］王榮輝，許 群，舒文超，等.豎向彈簧—滾珠隔震系統的隔離水平地震作用［J］.華南理工大學學報，2003，31(6):11-12.

［6］姚謙峰，豐定國，王清敏.滾動隔震結構受力分析［J］.西安建筑科技大學學報，1999，31(3):61-62.

［7］史紅福.滾動基礎隔震結構的動力特性研究［D］.武漢:華中科技大學碩士學位論文，2005.

［8］何永超，鄧長根，曾康康.日本高層建筑基礎隔震技術的開發和應用［J］.工業建筑，2002，32(5):8-10.

［9］吳冬梅，劉樹棠，劉智勇.SMA—滾動隔震火炬塔的地震反應分析［J］.廣州大學學報，2007，6(1):82-86.

［10］蔡錦榮，劉樹棠.SMA彈簧—軸承滾動隔震輸電塔的地震反應分析［J］.廣東土木與建筑，2009(5):14-17.

［11］熊世樹.三維基礎隔震系統的理論與試驗研究［D］.武漢:華中科技大學博士學位論文，2004.

［12］顏學淵，張永山，王煥定，等.三維隔震抗傾覆結構振動臺試驗［J］.工程力學，2010，27(5):91-96.