試述一種新型球形隔震裝置

許嘉輝

摘 要 在地震作用中隔震結構與傳統結構的相比具有更好的性能。本文介紹了隔震原理和隔震裝置。通過把握隔震技術的應用現狀，針對隔震中的豎向地震問題做了相應的闡述和總結。結合不倒翁模型，提出一種新型的球形隔震裝置，試圖同時解決水平和豎向地震作用。

關鍵詞 基礎隔震; 隔震裝置;豎向地震;球形隔震裝置

1隔震結構與傳統抗震結構比較

傳統抗震設計目標是結構在產生較大變形的情況下不倒塌，把重點放在提高結構的延性上，并希望將塑性變形分散到整個結構中，由建筑結構整體吸收地震輸入能量。而實際上，建筑結構的地震響應大多取決于地震動特性，很難使塑性變形平均分散到各層，通常嚴重的損壞較多集中在特定層，并且很難在地震前明確。與此相反，由于隔震結構的設計前提是隔震層集中地震變形，人為引導薄弱層，是一種簡潔明了的結構形式[1]。

隔震結構的加速度反應只相當于傳統結構加速度反應的1/4～1/12;隔震為主、減震為輔，如25層結構隔震費用約為減震費用的1/2，效果則是減震的2倍;80%地震能量由隔震結構吸收較為理想;要有必要的結構措施避免隔震受拉，這有益于提高隔震介質（如橡膠）的使用性能;速度反應譜和加速度反應譜是相同的物理概念，但在長周期下，速度反應譜更易于區分;隔減震設計要和建筑聯系起來，確保必要的建筑措施來使隔減震結構有充足的變形空間[2]。

2隔震原理及隔震裝置

隔震層中設置隔震支座和阻尼器等隔震裝置，其中隔震支座能穩定持續地支承建筑物重量、追隨建筑物的水平變形，并且具有適當的彈性恢復力，而阻尼器能夠由于吸收地震輸入的能量。因此，地震輸入的能量部分轉化為隔震支座的彈性應變能，主要部分則被阻尼器的彈塑性應變能和粘性能吸收。

應用最廣泛的隔震支座是疊成橡膠支座，它是鋼板和橡膠的組合，利用鋼板的高承載力以及橡膠的大變形來實現隔震層的運作。此外，還有滑動支座及滾動支座等。

阻尼器則主要分為兩種：一是位移型，利用鋼、鉛等金屬的塑性變形能量和庫侖摩擦力能量，例如滯回型阻尼器;二是速度型，利用油、黏性流體和黏彈性體的黏性，例如黏性阻尼器[3]。

3關鍵問題及現有解決方式

隔震技術是從減少地震作用到減少地震作用的同時具有一定復位功能發展。前者強調安全性，后者強調安全性的同時兼顧適用性。然而，現有的隔震體系對豎向地震作用的減震效果并理想。廣泛使用的橡膠隔震支座和摩擦隔震元件對豎向地震作用起不到減震作用。在高烈度區豎向地震影響很大，并且當水平地震作用通過隔震層明顯降低后，豎向地震作用的比重將顯著增加。

由于隔震支座要支撐建筑物的重量，且常態時（不發生地震）要有較好的穩定性，故其豎向的剛度比較大，其變形不會很大，否則適用性太差。豎向地震作用下隔震層和建筑物的相對位移不會太大，達不到水平地震作用下隔震層的明顯效果。即使增加很多的豎向阻尼器，其吸收的地震能量也很有限，這也不是隔震初衷，反倒更像減震的范疇。因此隔震層很難減小結構的豎向地震作用。目前解決問題的思路大體是考慮組合系統來吸收豎向地震能量，例如，減隔震技術的結合應用，基礎隔震的同時上部結構減震。

4新型球形隔震裝置

隔震的目的在于保證建筑物不破壞的前提下消耗掉地震能量，不倒翁在晃動過程中自身保持不倒、不壞，若能建立一個不倒翁似的房子實現在地震中不倒、不壞，那便能實現我們的設計目標。

不倒翁結構結合隔震思路，提出如圖1所示球形隔震裝置。

圖1 球形隔震裝置示意圖圖2 地震作用下結構位移示意圖

基礎水平隔震仍由現有水平隔震層來實現，而豎向隔震則由類似于不倒翁結構的球形阻尼來實現。其中，水平隔震層與球形阻尼下部連接，當豎向地震作用到來，由下部球面和上部球面產生相對位移，在下部球面和上部球面之間加上類似油類黏滯阻尼即可吸收豎向地震能量，如圖2所示。因為上部結構實際和下部球面相連接，而上部球面與結構是脫開的，所以利用上部結構的重量可以在下部球面旋轉后再自行恢復到原位置，實現結構的自恢復性[4]。

該裝置還存在不少關鍵問題需要繼續探討，例如，上部結構的質量分配問題，結構的晃動幅度問題，以及裝置的具體尺寸設置問題等。以上僅是初步的概念模型。

5結束語

隔震結構相比于傳統結構，其受力更明確、破壞更可控，人為引導地震破壞位置有利于保護主體結構的安全;隔震層中主要設置有隔震支座和阻尼器，前者主要用于持續穩定地支撐建筑物的重量，或者主要用于耗能;高烈度地區的豎向地震作用對結構的影響明顯，特別是水平地震作用通過隔震減少后，豎向地震作用對結構的破壞更是不能忽視;[2]本文基于不倒翁原理，提出一種球形隔震裝置概念模型，意圖同時減少水平地震作用和豎向地震作用。

參考文獻

[1] 劉文光.隔震結構設計[M].北京：地震出版社，2006，58.

[2] 蘇經宇，曾德民.我國建筑結構隔震技術的研究與應用[J].地震工程與工程振動，2001，21（S1）：94-101.

[3] 中日聯合考察團，周福霖，崔鴻超，等.[J].建筑結構，2012，（4）：1-20.[4]林建芳.國內外隔震技術的發展和研究現狀[J].科技資訊，2008（20）：8-9..

[5] 郭子雄，李傳林.建筑結構隔震技術在日本的應用與發展[J].基建優化，2006，27（5）：104-107.