隔震支座與粘滯阻尼器在隔震結構中的應用

張晨曦（中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024）

隔震技術是一種采用新材料的新技術，利用隔震層將地上地下兩部分通過柔性連接，當地震來臨時，通過隔震層減少、隔離向上部傳遞的能量，以達到減隔震的目的。采用隔震技術改變了傳統通過增大結構的剛度來提高結構抗震能力的設計思路[1]。20世紀70年代新西蘭學者W.H.Robinson 最早研發鉛芯疊層橡膠支座，80年代日本建成第一棟采取隔震支座的框架結構，90年代我國在汕頭設計建成中國首個橡膠支座隔震建筑[2]。由于隔震技術在我國應用并不是很廣，對此方面的理論及實際施工分析還有很大空間，本文對隔震支座及粘滯阻尼器進行理論及實際施工分析，旨在為今后隔震技術在我國更大范圍的應用提供參考。

1 工程概況

雄安容西C1標段配套二十四班小學項目，總建筑面積2.4萬m2，鋼筋混凝土框架結構，抗震設防烈度為8度，抗震等級為一級，基本地震加速值為0.30g，特征周期0.55，阻尼比0.05，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。共安裝137 個隔震支座及25 套粘滯阻尼器。根據形體設置兩道抗震縫，將地上建筑劃分為三個結構單體，嵌固端為支座上端，汽車坡道頂蓋隨地下室部分與地上主體結構設縫斷開，項目效果如圖1所示。

圖1 項目效果圖

2 隔震工作原理及力學性能

2.1 隔震支座工作原理及分類

小震發生時，隔震支座通過初始水平剛度消耗能量；強震發生時，隔震支座通過水平位移消耗能量。隔震支座的工作原理就是通過在上部結構與地基之間增加隔震層，安裝隔震支座，起到與地面的柔性連接，將地震2/3左右的能量消耗[3]。根據材料不同可以把隔震支座分為三種，如表1所示。

表1 隔震支座分類

2.2 橡膠隔震支座力學性能

橡膠隔震支座的力學性能主要分為豎向性能和水平性能。豎向性能主要有豎向剛度和豎向極限壓應力、豎向極限拉應力；水平性能主要包括水平剛度、極限剪壓應力[4]。

2.2.1 豎向剛度

隔震支座的豎向剛度是指橡膠支座在豎向壓力的作用下產生單位位移所需要的豎向力，可通過KV表示。

式中Ec-橡膠材料的修正彈性模量，MPa；

Tr-橡膠總厚度，mm；

A-橡膠截面面積，mm2。

從公式（1）中即可看出，隔震支座豎向剛度與橡膠的彈性模量和截面面積成正比，與橡膠厚度成反比。

2.2.2 水平剛度

隔震支座的水平剛度是指橡膠隔震支座頂部與底部連接板發生單位位移時所需的水平力，可通過式（2）來表示。

式中P-垂直壓力，N；

H-橡膠支座總高度，mm；

q-支座剛度轉換系數；

kr-支座的有效彎曲剛度，N·mm2；

Er-橡膠材料的彎曲彈性模量，MPa。

通過公式（2）可看出，隔震支座水平剛度與豎向壓力成正比，與支座的有效彎曲剛度、剛度轉換系數、高度成反比。

2.2.3 豎向極限壓應力

隔震支座的豎向極限壓應力是支座不發生水平位移時得到的極限壓應力[5]。影響橡膠隔震支座極限壓應力的因素有：鋼板的極限抗壓強度、鋼板與橡膠層的厚度比、第一形狀系數。在實際應用中，考慮了軸壓承載力的安全系數，對一般工程取其設計承載力為15MPa，重要工程取10MPa[6]。

2.2.4 豎向極限拉應力

隔震支座的豎向極限拉應力是支座在豎向拉力下斷裂時的極限應力。當支座受拉時主要由橡膠和鋼板的粘結來承受。根據《建筑隔震橡膠支座》(JG 118-2000)相關規定，橡膠隔震支座的豎向極限拉應力不應小于1.5MPa。

2.2.5 極限剪壓應力

隔震支座的極限剪壓應力是支座在發生水平剪切變形時的極限應力。隔震結構之所以能隔震就是通過產生水平變形來消耗能量，因此，支座的水平剪切變形和剪壓承載能力是確保在地震作用時支座能夠正常工作的重要指標[7]。根據對較大直徑的隔震支座的實驗結果，若支座承受的軸向壓力恒定不變，支座的極限切應變為380%～450%時會產生相應的破壞，此時對應的軸向壓力為10MPa～30MPa 時。當軸向壓應力為10MPa～15MPa 時，水平切應變在350%范圍內，支座不會出現剪切破壞。支座水平剪切位移小于0.75倍內部橡膠直徑時，支座承載力沒有明顯降低[8]。

2.3 阻尼器工作原理

粘滯阻尼器是一種速度型阻尼器，由阻尼孔、粘滯流體阻尼材料、缸體、活塞、導桿等部分組成。粘滯阻尼器在地震發生時吸收和消耗進入結構的地震能量，從而減輕地震力對結構的沖擊。依據流體通過節流孔時會產生節流阻力的原理，達到耗能減震的目的。粘滯阻尼器特點如下：

（1）粘滯阻尼器不增加結構剛度，僅為結構附加阻尼，可使結構的地震響應有效減小。

（2）對于抗震加固或震后修復工程均可適用。

（3）經濟合理，安裝方便，后期易維護。

（4）研究分析采用阻尼器的結構在地震作用下的基底剪力和層間位移明顯優于非減震結構，采用粘滯阻尼器進行減震設計，減震效果顯著。

3 安裝應用

3.1 隔震支座安裝

隔震支座的安裝精度要滿足規范要求水平位置及標高均應在±5mm 范圍內[9]。隔震支座的安裝精度，完全由隔震支座預埋板決定。預埋板安裝不精準，將嚴重影響支座的正常安裝及結構受力。

隔震支座安裝在隔震層的上下支墩中間，由于隔震層梁柱標高及尺寸的不同，隔震支座的布置主要有以下三種情況，如圖2所示。

圖2 隔震支座布置示意圖

隔震支座連接示意圖如圖3所示。

圖3 隔震支座連接示意圖

隔震支座安裝流程如圖4所示。

圖4 隔震支座安裝流程圖

3.1.1 隔震支座下肢墩鋼筋綁扎、模板安裝

隔震支座的下肢墩一般為地下室至隔震層的柱頂，將柱筋按圖紙標高綁扎至隔震層，此處柱頂筋彎錨且與兩方向梁筋交集鋼筋密集，為滿足支座錨筋及預埋套筒在柱頂順利安裝，可提前將柱筋及箍筋在設計允許范圍內微調，并安裝模板。

3.1.2 安裝支座預埋板豎向及水平定位鋼筋

支座預埋板安裝的精度直接影響了隔震支座的安裝。預埋板水平位置安裝不滿足要求將會影響結構受力；預埋板平整度不滿足要求將會影響結構的受力及支座六角螺栓能否擰入預埋套筒。

首先在附近架設水準儀，在預埋板的四角及中間將豎向定位鋼筋與柱筋綁扎，通過測量標高復核，將豎向定位筋與柱筋焊接。豎向定位筋標高確定且焊接牢固后，將水平定位筋與豎向定位筋焊接連接后將定位板放置在水平定位筋上。

3.1.3 安裝支座預埋板

將錨筋和預埋套筒與支座預埋板組裝后，放置在水平定位筋上，對預埋板的水平位置進行調整并測量確認后，將預埋板與水平定位筋焊接固定。隔震支座預埋板安裝前后如圖5所示。

圖5 隔震支座預埋板安裝圖

3.1.4 下支墩混凝土澆筑

隔震支座預埋板安裝且驗收完成后，可進行支座下肢墩的混凝土澆筑，此處鋼筋密集且有預埋板在柱頂，所以支座下肢墩混凝土澆筑困難，需使用合適的振搗棒進行振搗，保證下肢墩的混凝土澆筑密實，且振搗過程中不能使預埋板位置偏移。

3.1.5 安裝隔震支座

當下肢墩混凝土強度達到設計強度的75%后可進行隔震支座的安裝[10]。首先將支座預埋板上的六角螺栓擰開，將隔震支座吊運至預埋板上后，將支座上的螺栓孔與預埋板上的螺栓孔對齊，將六角螺栓擰緊。再將支座上部預埋套筒及錨筋連接，后可在支座上部進行上肢墩的鋼筋綁扎，如圖6所示。

圖6 隔震支座安裝

3.2 粘滯阻尼器安裝

粘滯阻尼器安裝于隔震層梁上翻下牛腿，與一層梁下掛上牛腿之間。阻尼器安裝的關鍵為阻尼器預埋板的安裝。在阻尼器安裝前，首先要在隔震層梁筋上上翻出阻尼器下牛腿的鋼筋，并將下牛腿預埋板安裝到下牛腿鋼筋中，安裝模板后進行澆筑。在一層梁筋下掛阻尼器上牛腿的鋼筋，并將阻尼器上牛腿預埋板進行安裝后，將阻尼器上牛腿進行澆筑。阻尼器上下牛腿澆筑完成后，可在牛腿預埋件上安裝連接件，連接件安裝完成后，即可將阻尼器與連接件連接。粘滯阻尼器的安裝流程如圖7所示。

圖7 粘滯阻尼器的安裝流程

3.2.1 牛腿鋼筋綁扎

阻尼器牛腿鋼筋綁扎要嚴格按照阻尼器廠家深化圖進行綁扎，尤其是牛腿的標高。一般下牛腿與一層梁底、上牛腿與隔震層梁頂間隙為50mm。

3.2.2 粘滯阻尼器預埋板安裝

在安裝粘滯阻尼器預埋板之前，首先要將預埋板的錨筋錨入牛腿鋼筋中。此處牛腿鋼筋密集，預埋板錨筋直接大、根數多，現場操作具有一定的困難，且要嚴格保證預埋板的位置及垂直度。

3.2.3 牛腿澆筑混凝土

牛腿混凝土澆筑時，由于牛腿鋼筋密集，要進行嚴格振搗，保證混凝土澆筑質量。且在澆筑過程中不能使預埋板錯位移動，否則影響阻尼器的安裝。現場實際操作如圖8所示。

圖8 阻尼器牛腿施工圖

4 結語

通過對隔震支座及粘滯阻尼器的工作原理、力學性能、實際安裝應用進行分析，發現隔震支座及阻尼器對建筑的抗震能力有很大程度的提高，使建筑物更加安全。結合C1小學隔震支座及阻尼器的安裝過程，為今后采取減隔震技術的建筑的施工提供借鑒。