建筑工程疊層橡膠隔震支座技術(shù)的研究

田劍波

【摘要】地震依然是目前世界上能夠造成大量傷亡的地質(zhì)災(zāi)害，建筑如何防震一直是建筑研究的一個(gè)重要方向。大量的案例證實(shí)，采用隔震橡膠支座設(shè)計(jì)的建筑物一方面能夠提升建筑物結(jié)構(gòu)的可靠性，盡量避免建筑非結(jié)構(gòu)的毀損，從而降低由于室內(nèi)裝修物體以及各類設(shè)備的破壞而導(dǎo)致的次生災(zāi)害，另一方面這種技術(shù)在設(shè)計(jì)和施工上均較為方便、能夠起到明顯的隔震效果。

【關(guān)鍵詞】疊層橡膠支座 隔震 建筑震害

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，如何能夠使建筑盡量在地震中遭受最小破壞，盡量降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，是建筑研究的一個(gè)重要方向。地震目前依舊是難以預(yù)測(cè)和完全避免的自然災(zāi)害，近年來發(fā)生在世界各地的震級(jí)較高的地震，均被記載導(dǎo)致了大批人員的傷亡，造成很多建筑破壞毀損。如何能夠使建筑物在地震發(fā)生時(shí)盡量起到隔震的效果，是一個(gè)亟待解決的問題。特別是在多震地區(qū)，地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，一些公益性建筑采取減震技術(shù)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一個(gè)普遍抗震減災(zāi)的可行措施。目前在建筑界已經(jīng)出現(xiàn)了不少相關(guān)的技術(shù)，其中尤以疊層橡膠支座的隔震技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。這種技術(shù)能夠在建筑的上部和下部間通過增加合理的隔震層，來達(dá)到緩釋強(qiáng)震巨大能量傳導(dǎo)，進(jìn)而降低建筑物對(duì)地震的反應(yīng)，盡可能避免建筑物在地震中遭受破壞，目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在不少國(guó)家取得了越來越多的研究成果。

疊層橡膠隔震支座的技術(shù)原理，是為建筑物配置合理的橡膠支座，從而讓建筑物在遭受地震的時(shí)候能夠減少自振的頻率，從而降低建筑物上部由于地震而導(dǎo)致的可能的破壞。疊層橡膠隔震支座隔震技術(shù)的核心裝置便是橡膠支座，可以僅安裝配置橡膠支座，也可以和阻尼器一起配合，從而使建筑物擁有一個(gè)隔震層。疊層橡膠隔震支座在豎直的方向具有很大的承載力，而在水平的方向則剛度不大，所以在水平側(cè)能夠允許較大幅度的位移量。這個(gè)特點(diǎn)使其一方面能夠盡可能緩解震害在水平方向的破壞，另一方面還可以承受垂直方向的地震破壞，屬于當(dāng)前很多發(fā)達(dá)國(guó)家均使用的一種有效的隔震模式。

一般情況下，疊層支座是通過鋼板和橡膠板以交替的方式構(gòu)成，在高溫高壓環(huán)境下壓制而成。結(jié)合制作材料的不同，可以有三種類別，包括天然橡膠疊層隔震支座、鉛芯疊層隔震支座、以及高阻尼疊層隔震支座。而第一種支座由于缺乏耗能的單元，必須和阻尼器一起安裝，從而擁有必要的彈塑性，起到隔震的效果。而第二種和第三種則由于已經(jīng)具備足夠的耗能性質(zhì)，因此可以不必與阻尼器一起使用，可以直接安裝在建筑物。

疊層橡膠支座與其他的防震措施相比，有不少先進(jìn)性：首先是這種結(jié)構(gòu)能夠在豎直方向擁有較好的承載剛度，在受力壓縮的情況下不易明顯變形，十分便于將建筑體支撐起來，從而保證建筑的可靠性；其次是在水平方向上，疊層橡膠支座十分便于承受水平的變形，當(dāng)發(fā)生剪切變形的情況下甚至能夠完全不被毀損，可以顯著降低配置了此種結(jié)構(gòu)的建筑在地震中受到的破壞度，尤其是降低建筑物上部在地震中的水平方向位移；第三是疊層橡膠支座在變形復(fù)位方面擁有高彈性，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之后能夠迅速讓其所承載的建筑物恢復(fù)原來的位置；第四是疊層橡膠支座的使用壽命較長(zhǎng)，不易老化，在建筑物的生命周期中不必更換；第五是疊層橡膠支座在結(jié)構(gòu)方面并不復(fù)雜、施工起來較為方便，也能夠保證施工的質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

而在工程的成本造價(jià)方面，當(dāng)建筑物使用了疊層橡膠支座隔震模式，如前文所述，建筑物上部的抗震性顯著增強(qiáng)，因此在構(gòu)造方面的標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)降低，建筑截面的配筋使用量可以降低，為控制建筑上部造價(jià)起到了關(guān)鍵作用；并且，結(jié)合我國(guó)對(duì)于建筑物抗震設(shè)計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：在建筑抗震方面的地基抗震驗(yàn)算依舊是基于本地區(qū)烈度的。所以在一些地震頻發(fā)的地區(qū)，進(jìn)行抗震驗(yàn)算并將其作為建筑物設(shè)計(jì)必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，能夠顯著降低建筑造價(jià)。由于采用疊層橡膠隔震技術(shù)而新增的成本包括：首先是建筑必須設(shè)置隔震檢修層，所以在施工時(shí)會(huì)導(dǎo)致土方工程的上升，由此而產(chǎn)生更多的成本；其次是如果建筑隔震層設(shè)計(jì)了地下室，結(jié)合抗震國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該對(duì)所有的地下室進(jìn)行抗震驗(yàn)算，而在驗(yàn)算時(shí)還應(yīng)結(jié)合發(fā)生地震的各類情況來計(jì)算，所以會(huì)導(dǎo)致相關(guān)成本的上升；建筑在設(shè)計(jì)階段時(shí)，由于為了盡可能減少地震破壞，而在設(shè)計(jì)方案中體現(xiàn)出的保守性，同樣能夠使工程項(xiàng)目的成本上升。但是即便如此，綜合起來看，以我國(guó)目前的建筑施工水平和建筑材料造價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的隔震設(shè)計(jì)和疊層橡膠支座的隔震結(jié)構(gòu)相比較，后者更為經(jīng)濟(jì)。

從現(xiàn)實(shí)使用的情況來看，不少的工程實(shí)踐案例均能夠證明，基于疊層橡膠支座的建筑物能夠在地震發(fā)生時(shí)充分發(fā)揮其豎向承載的優(yōu)勢(shì)，能夠有效而穩(wěn)定地支撐建筑結(jié)構(gòu)，避免地震的破壞。以我國(guó)當(dāng)前的類似結(jié)構(gòu)建筑工程來說，大部分使用的疊層橡膠支座均產(chǎn)自國(guó)內(nèi)，其實(shí)際承載力一般能夠超過千噸級(jí)別，而一些性能更優(yōu)異的產(chǎn)品承載力目前甚至已經(jīng)超過了萬噸級(jí)別。疊層橡膠支座在構(gòu)造上并不復(fù)雜，也能夠靈活地配置在建筑物不同高度，如果建筑物存在地基不均勻沉降的情況，疊層橡膠支座不會(huì)受到較大的影響；無論是在剛度的指標(biāo)上還是在阻尼指標(biāo)上表現(xiàn)均十分穩(wěn)定。在對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析時(shí)，其仿真結(jié)果和實(shí)地測(cè)量值十分接近，因此在建筑設(shè)計(jì)階段便能夠通過合理的運(yùn)算分析而得到建筑完工時(shí)的抗震性能。疊層橡膠支座還擁有較為良好的彈性復(fù)位特性，因此在發(fā)生地震時(shí)可以自動(dòng)從移位狀態(tài)中回復(fù)正常；尤其是疊層橡膠支座擁有其他結(jié)構(gòu)難以比擬的水平剛度可變性。如果所在地區(qū)發(fā)生臺(tái)風(fēng)或者小型的地震，則疊層橡膠支座一開始呈現(xiàn)出比較大的剛度，能夠顯著減少建筑物的結(jié)構(gòu)位移。而在發(fā)生中級(jí)地震甚至強(qiáng)震的情況下，疊層橡膠支座的水平剛度迅速減少，其阻尼值依舊維持原值，從而起到隔震的作用。而如果疊層橡膠支座在水平方面出現(xiàn)了較大的位移，此時(shí)恰好水平剛度增強(qiáng)，能夠有效抑制疊層橡膠支座平側(cè)，保護(hù)建筑安全。實(shí)踐能夠證明，這種隔震技術(shù)最適合的使用范圍是6度至9度地震的建筑物，可以顯著降低建筑在地震中受到的破壞，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生震動(dòng)的時(shí)候，建筑物的上部依舊可以保持彈性的狀態(tài)，從而使建筑物受到的震害降至最低限度，最大程度地確保建筑物本身的安全以及人身安全。

參考文獻(xiàn)：

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