隔震支座力學性能綜述

王加雷

（廣州大學土木工程學院 廣東廣州 510006）

1 研究意義

建筑隔震的原理是通過底部基礎的橡膠支座，將輸入的地震能量與上部建筑產生動力放大的結構隔絕，從而減少上面結構構件的位移反應。隨著隔震技術越來越成熟，研究考慮的難題也逐漸顯現，比如隔震支座的水平位移復位，橡膠支座的抗拉性能，高層結構的抗傾覆能力，橡膠溫差的性能變化，大跨度空間結構支座的轉動，隔震技術不具備豎向隔震的效果，鉛芯橡膠不同尺寸隔震的影響，增加隔震支座面積的工藝造價高，農村的磚混砌體強度低，水平隔震效果比豎向更加明顯，隔震支座的安裝位置不在地震波的方向。

本文在隔震支座發展的過程中，對不同發展階段遇到力學性能難題進行研究，提出解決的方法和理論，并在這些技術的基礎上，提出新的問題。

2 基本性能

在建筑結構下面組裝隔震支座，能夠保證地震動力響應與上部結構隔離，隔震效果的優劣必須對橡膠支座的力學性能進行分析。

Gyung Ju Kang等對比試驗不同纖維增強材料隔離裝置，提出應用高阻尼性能支座。譚平等以不飽和材料支座進行試驗，提出水平剛度隨壓應力的增大而降低，隨水平剪應變的增加而下降。林達文等對隔震支座力學性能做了實驗研究，包括抗壓模量，耐臭氧性能，復原彎矩，偏心加載，剪切高低溫，實驗得到的數據驗證了良好的抗震性能。李旭東提出水平剛度，豎向剛度和阻尼比是影響結構穩定的參數，并進一步提出了在力學參數的基礎上，設計結構，優化工藝。

3 不同支座類型隔震

3.1 碟形彈簧復合隔震支座

地震震級增加一級，釋放的能量呈32倍遞增，相當于40000顆原子彈的威力。房屋的隔震支座，選用的阻尼材料需要消耗大量能量，在機械和航空領域，碟形彈簧阻尼器應用較多，它具有性能穩定，高阻尼等特點。Min-Sang Seong等將MR阻尼器和碟形彈簧組合，應用于軍用車，用計算機模擬多方向振動，驗證效果很好。王維等提出將黏彈性材料和碟形彈簧復合成隔震支座。碟形彈簧將地震力與上部結構隔開，并通過黏彈性材料消耗能量。

3.2 HPIS隔震支座

對于橡膠的豎向性能，高層建筑對其要求比較高，國家規范限制豎向承載能力在12MPa左右，而橡膠支座的最高承載能力在55MPa左右，橡膠隔震支座的性能得不到充分利用。

楊巧榮等提出2、3和4支座布置的組合支座系統，鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座的水平剛度隨剪應變的增加而變小，剪切變形越大，其屈服剛度下降越大，隨著壓應力的增大，組合橡膠支座的水平剛度變化不明顯。

4 不同支座材料隔震

目前支座類型與力學性能的聯系，橡膠的平面尺寸與強度之間的相關關系，并未建立一套完整的運用理論。早期的研究提出，橡膠厚度因高溫而改變，采用原尺寸會引起設計問題，徐永秋等提出了圖1的層疊橡膠支座的豎向剛度計算方法，需要考慮橡膠的直徑、厚度、鋼板的屬性來修正計算系數。

對于圖2的新型塑料夾層纖維橡膠，與鋼板加勁橡膠相比，豎向剛度接近，水平等效剛度能達到80%。它具有造價低，耐久性強等特點，適用于農村不發達地區。

圖3的高阻尼材料支座，集合豎向承載力，水平復位能力和消耗地震能量于一體。一般適用于高層、大跨度建筑等抗震要求高的支座。

圖1 層疊橡膠支座

圖2 塑料夾層纖維橡膠支座

圖3 高阻尼橡膠

5 不同層疊角度隔震

5.1 上下表面有轉角的橡膠支座

對于大跨度建筑，風荷載與地震力影響著支座的轉動。變形后的橡膠支座對水平地震力的抵抗減弱。而Haringx理論適用于預測支座的力學性能變化。但沒有考慮支座上下端部轉角的變化影響。徐忠根等提出小剪應變時，無初始轉角水平剛度隨剪應變的增大而減小，并且豎向壓力對水平剛度不太影響。有初始轉角的水平剛度隨剪應變的增加而變大，剪應變在超過75%的幅度時，水平剛度逐漸減小。

5.2 斜向滑動摩擦橡膠支座

目前研究的隔震支座大部分是針對水平位移響應，對于豎向動力分析的研究卻是很少，2008年汶川地震中站臺儀監測的水平加速度比豎向加速度小很多，因此對于豎向地震加速度分析是有必要的。許浩等提出了斜向三維隔震支座，針對豎向的地震位移響應，用摩擦滑動支座來回移動，提高豎向性能。經過試驗得到了圖4的剪切，壓縮，摩擦滑動等性能模型。對于滯回曲線的形狀，因為存在摩擦力，會形成非線性的四邊形。

圖4 支座各力學模型

6 組合型隔震

6.1 環形鋼絲繩-疊層橡膠支座

地震發生的場地烈度和具體位置是未知的，特別在某一地震波來臨時，隔震支座的定位方向不能夠抵抗強烈的水平地震力。Xiuting Sun研究的隔震裝置，通過改變頻率與振幅參數，實現三向的振動控制。萬信華等提出將鋼絲繩緊箍層疊橡膠，形成環向抗震的組合支座，當拉伸到局極限位置時，水平剛度發生“硬化”現象。

6.2 滑板與橡膠并聯支座

組合隔震用到的材料有水平橡膠層，消能的彈簧，還有附加的阻尼器等，許多三維組合隔震支座，考慮了豎向隔震的阻尼，但沒有考慮附加的豎向剛度，豎向動力響應大的支座，容易造成分離。趙亞敏等提出了碟形彈簧和鉛芯橡膠組合的支座，對水平和豎向的耗能效果好。

7 結語

建筑結構底部的隔震支座研究，在不斷的發展與進步，目前解決的問題，是基于滿足現階段的要求或者還未發現新的領域研究，因此，未來的技術工作還有待進一步研究。比如隔震支座永久性材料研究，支座使用周期的定性，鉛芯使用后的回收利用，在不同地震波的作用下，最優隔震支座的選取，并且如何捕捉到實時地震波，研究類似場地地震波。未來的隔震設計，不僅局限于橡膠，鉛芯，彈簧等材料組合，需要尋找造價低，組裝便捷，高阻尼，高強度的支座材料。

[1]楊巧榮，饒聰，何文福，劉文光.超高應力隔震組合支座的基本力學性能研究[J].世界地震工程，2017，33（01）：158～165.

[2]王維，李愛群，秦焰宏，代云焜.碟形彈簧復合隔震支座力學性能試驗與數值模擬研究[J].建筑結構學報，2018（05）：99～105.

[3]Gyung Ju Kang，Beom Soo Kang，Dynamic analysis of fiber-reinforced elastomeric isolation structures[J].Mechanical Science and Technology，2009，Vol.23（4），pp.1132～1141.

[4]Sung Hoon Ha，Min-Sang Seong，Seung-Bok Choi.Design and vibration control of military vehicle suspension system using magnetorheological damper and disc spring[J].Smart Materials and Structures，2013，22（6）.

[5]Alias Bin Othman.Property profile of a laminated rubber bearing[J].Polymer Testing，2001，20（2）.

[6]Jian Xu，Xiuting Sun.A multi-directional vibration isolator based on Quasi-Zero-Stiffness structure and time-delayed active control[J].International Journal of Mechanical Sciences，2015，100.

[7]李旭東，鞠洪海.隔震橡膠支座力學性能研究綜述[J].山西建筑，2007（02）：86～87.

[8]林達文，彭立群，劉立峰，王 進.隔震橡膠支座力學性能試驗研究[J].鐵道建筑，2014（02）：30～32.

[9]徐永秋，劉文光.厚層橡膠隔震支座的豎向力學性能與試驗分析[J].浙江建筑，2008（06）：30～32.

[10]許浩，劉文光，何文福，程穎，馮祎鑫.斜向滑動摩擦三維隔震裝置的滯回模型及其隔震效果[J].建筑結構學報，2017，38（10）：123～130.

[11]徐忠根，朱祥盛，鄧長根.上下表面有相對轉動的橡膠隔震支座水平力學性能研究[J].水利與建筑工程學報，2017，15（02）：16～20+70.

[12]譚平，徐凱，王斌，周福霖.基于新型簡易隔震支座的村鎮建筑隔震性能研究[J].土木工程學報，2013，46（05）：64～70.

[13]萬信華，侯輝，萬維東，熊世樹.環形鋼絲繩-疊層橡膠復合減隔震支座力學性能研究[J].武漢理工大學學報，2016，38（05）：64～69.

[14]趙亞敏，蘇經宇，陸鳴.組合式三維隔震支座力學性能試驗研究[J].工程抗震與加固改造，2010，32（01）：57～62+69.