浅析建筑结构三维隔震技术

2013-08-15田坤

中国新技术新产品 2013年7期

关键词：碟形铅芯叠层

田坤

（广州大学土木工程学院，广东广州 510006）

1 概述

隔震结构是指在建筑物上部结构与基础之间设置隔震层，延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼、减小输入上部结构的地震作用，达到防震要求。

地震作用是三维的，较大分量的竖向地震，成为结构倒塌的重要诱因。水平隔震通过设置水平隔震层，延长上部结构的周期，减小结构的加速度反应；竖向隔震通过竖向隔震装置，延长上部结构的周期，使结构的加速度反应减小。

2 三维隔震装置

三维隔震支座一般分为两个部分：水平方向隔震的橡胶支座和竖向隔震装置。水平方向一般采用技术成熟的铅芯橡胶支座，而三维隔震支座根据竖向隔震装置主要有以下五种。

2.1 摩擦-弹簧三维复合隔震支座（MTFGZ支座）

在水平隔震方面，采用的是聚四氟乙烯板滑移装置，在滑移的过程中耗散地震输入的能量，设置的水平方向弹簧刚度可以调节，来延长结构自振周期，并且还能提供水平恢复力，实现震后结构复位的功能。竖向隔震方面，布置竖向弹簧来调节隔震支座的竖向刚度，选择合理的竖向刚度来减小结构的竖向地震反应。竖向隔震装置采用螺旋压缩弹簧或者碟形弹簧，两者各有优点。螺旋压缩弹簧是线性变形，刚度稳定，加工方便，但是承载力和阻尼较小；碟形弹簧的刚度相比较螺旋弹簧较大，可以提供竖向阻尼，呈现一定的滞回性能，但是价格较高，构造比较复杂。

2.2 竖向隔振-水平隔震支座

该支座具有水平隔震、竖向隔振的作用，它由连接板、竖向隔振支座和水平隔震支座构成。水平隔震支座可采用高阻尼橡胶支座、普通橡胶支座、铅芯橡胶支座和滑板支座等技术成熟的支座产品，水平刚度小，可以达到水平隔震的作用。竖向隔振装置可以使用多层橡胶，其竖直刚度小，可以达到竖向隔振的作用。此种三维隔震支座在实际工程中已有应用，对地铁引起的振动有良好的效果。

2.3 环形弹簧三维隔震抗倾覆支座

下半部分采用环形弹簧来实现竖向隔震，弹簧的外面是特殊设计的圆筒，圆筒的上端部向内延伸一翼缘，上部抗拉橡胶支座下端连接与弹簧直接接触的圆形小联结板，当弹簧从受压回到平衡位置时，圆筒的上部翼缘限制小联结板与弹簧的竖向位移，使其不再向上移动，起到限位的作用，上部抗拉橡胶支座内的钢丝绳张紧，起到抗倾覆的作用。

2.4 厚橡胶层三维隔震抗倾覆支座

该支座下部分构件是添加了钢丝绳的叠层厚橡胶支座，钢丝绳在初始状态下是张紧的，当支座受拉时，钢丝绳与叠层厚橡胶支座共同承受拉力。叠层厚橡胶支座的上下联结板各焊一个圆筒，两个圆筒套在一起，起到导向作用，限制叠层厚橡胶支座的水平位移，防止失稳。

2.5 碟形弹簧为竖向隔震支座

2.5.1 3DIB不需额外附加竖向阻尼器的组合式三维隔震支座

由组合式碟形弹簧竖向隔震支座（DSB）和铅芯橡胶支座两部分串联而成。上部分为DSB，采用不同尺寸的多个碟形弹簧柱并联而成，通过不同尺寸的碟形弹簧搭配和组合，使支座的高度减小，并且竖向刚度又不会太大，碟形弹簧的数量较多，不需要外加阻尼器DSB就会有较高的竖向阻尼，实现竖向隔震。下部串联铅芯橡胶支座来实现水平隔震。

2.5.2 SMA三维隔震支座

由叠层橡胶支座、形状记忆合金（SMA）绞线、碟形弹簧三部分组合而成,在叠层橡胶支座安装形状记忆合金绞线，绕过固定在对面钢板的滑轮，两端固定于钢板两侧，当叠层橡胶支座产生水平位移时，形状记忆合金绞线就会产生变形，提供恢复力和阻尼力。

2.5.3 碟形弹簧三维隔震抗倾覆支座

由上下两部分串联而成：上部分是橡胶垫，添加了钢丝绳使其具有抗拉能力；下部分是碟形弹簧，碟形弹簧外面是导向圆筒。当支座收到拉力时，导向圆筒的向内翼缘阻挡碟形弹簧向上运动，橡胶支座的钢丝绳起到抗拉的功能，防止结构倾覆。

2.5.4 铅芯橡胶支座与铅芯碟形弹簧串联组成的三维隔震支座

下部采用铅芯橡胶支座，有适宜的阻尼性能与水平刚度，具有良好的水平隔震效果。上半部分是铅芯碟形弹簧支座，它是由碟形弹簧串并联组合，将挤压铅阻尼器导筒装在中心孔上，并且导筒还具有限制铅芯碟形弹簧水平位移的作用，使它几乎只存在竖向位移，铅芯碟形弹簧具有适当的竖向刚度和阻尼，起到竖向隔震作用。这种三维基础隔震支座具有三向适宜刚度和阻尼性能，并且刚度和阻尼调整方便，加工制作简单，性能稳定。

2.5.5 采用碟形弹簧的竖向半主动三维隔震装置

它是由叠层橡胶支座和竖向半主动隔震装置组合而成。竖向半主动隔震装置由外套油缸和碟形弹簧组合而成，通过电磁阀控制油缸内油体与外接储油箱油体之间的油路。当结构未遭受地震或地震时竖向加速度反应未超过限定值时，电磁阀关闭，竖向隔震装置的竖向刚度很大；当遭受地震使结构的竖向加速度反应超过限定值时，电磁阀开启，竖向隔震装置提供较小的竖向刚度，并且还可以提供一定的竖向阻尼，起到竖向隔震的作用。

2.5.6 带菱形钢板阻尼器的三维隔震支座

主要由铅芯橡胶隔震支座、组合碟形弹簧和菱形钢板耗能阻尼器3部分组成。在组合碟形弹簧中间设置导向轴，并且在导向轴顶端设置抗拉挡板和抗拉螺栓，防止上连接板受到较大拉力时脱离碟形弹簧，菱形钢板阻尼器的中间通过在螺杆连接在上联结板，两端支撑在中间连接板的支撑架上，组合碟形弹簧和菱形钢板阻尼器两者组成竖向隔震系统。在竖向隔震系统的下部安装铅芯橡胶支座，实现三维隔震。

3 三维隔震结构试验研究

三维隔震结构的振动台试验完成的较少。1984年，Staudacher用天然橡胶块作为建筑的三维隔震支座进行了振动台试验。1996年，Fujita等对橡胶支座和螺旋弹簧组合构成三维隔震系统的模型进行了振动台试验。2002年，Kagcyama等对钢丝加强型空气弹簧作为三维基础隔震的1/4.5模型进行了振动台试验。2007年，孟庆利等进行了竖向半主动隔震装置与橡胶隔震支座组合实现三维隔震的模型试验。2010年，颜学渊等对装有碟形弹簧三维抗倾覆支座的钢框架模型进行振动台试验。2012年，魏陆顺等进行了竖向隔震层与水平隔震层分开布置的模型试验，取得了良好的效果。