滚动隔震支座的研究与发展★

2013-08-21王珊珊隋杰英孙晓东

山西建筑 2013年8期

王珊珊隋杰英章蓉孙晓东

(青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033)

0 引言

从古至今，地震的发生均具有随机性、不确定性以及突发性等特点，人类的生命安全、财产安全受到其严重的威胁，因此结构工程领域一直将抗震研究作为重要课题。

近年来经济的快速发展加快了城市化的进程，各种高耸建筑、大跨桥梁、大跨空间建筑等大规模涌现，因此由地震灾害造成的经济损失将是无法估量的。“小震不坏，中震可修，大震不倒”是目前许多国家建筑抗震设计的基本准则，这种传统的抗震设计目的在于保证建筑结构具有足够的刚度、强度和延性，以达到减轻震害和降低经济损失的目的。但传统的抗震方法本身存在着不可避免的缺陷，这种以生命安全为目标的单一抗震设防目标是不全面的、满足不了人们的要求。20世纪70年代初，工程抗震学科中出现了对地震由“抗”变“导”的结构振动控制技术，这是一种积极主动的减隔震方法，且隔震体系能有效地减少地震能量向上部结构的输入(见图1)。因此，以基础隔震方式取代传统的结构抗震设计方式，来增强建筑抵御地震灾害的能力已成为结构工程防震减灾领域的研究热点。

1 基础隔震

1.1 基本思想［1］

基础隔震即隔离地震波对结构的作用，其隔震设计的基本思想是:在整个结构物与基础之间设置隔震层，或者是将其坐落在起隔震作用的地基或基础上，利用隔震层装置的有效工作，减少和限制地震波向上部结构的输入，控制上部结构地震作用效应和隔震部位的变形，以减小结构的地震响应，提高结构的抗震安全性。

图1 传统抗震与基础隔震对比

1.2 隔震原理

通常情况下地震动的典型卓越周期约为0.1 s～1.0 s，因此在地震时极易发生共振的就是自振周期为0.1 s～1.0 s的中低层结构。隔震装置的作用就是通过减小结构刚度使得结构自振周期大大延长，以避开地震动卓越周期，避免了共振和接近共振现象的发生，且使震动引起的建筑物变形集中到隔震装置上，隔断大部分地震能量的上传。这在很大程度上减少了地震时上部结构的加速度反应和层间位移反应(见图2，图3)，从而较大的减少了上部结构的地震反应，达到隔震减震的目的。

图2 加速度反应谱

图3 位移反应谱

1.3 基础隔震系统的特性及优越性

为了达到明显减震效果，通常基础隔震系统需要具备以下四种特性:

1)承载特性:具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量;

2)隔震特性:具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系;

3)复位特性:因其隔震装置的水平弹性恢复力，在地震中隔震结构体系具有瞬时“复位”功能;

4)阻尼耗能特性:隔震装置本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。

与传统抗震建筑物相比，其优越性体现在:可有效的减轻结构的地震反应，提高了结构的安全性;上部结构的建筑设计自由度增大;可防止非结构构件的破损，震后修复方便快捷;可防止内部物品的振动、移动、翻倒;可抑制振动时的不适感，提高了居住性和安定感。

2 隔震建筑的减震效果举例

隔震建筑的减震效果在20世纪90年代的几次实际地震中得以证实，消除了人们对隔震技术的疑虑。以下是一些实际建筑的强震记录:

1)1992年2月2日，日本东京湾地震，震级5.9级，在日本东京都小金井市两栋同规模住宅楼毗邻而建，地上3层，钢筋混凝土框架—剪力墙结构。一个用叠层橡胶支座隔震，另一个是传统的抗震建筑。地震时记录到两栋建筑物第3层Y方向的最大加速度，隔震建筑为44 gal，而抗震建筑为209 gal，隔震建筑的屋面最大加速度仅为抗震建筑的1/5左右［2］。

2)1994年1月17日，美国洛杉矶北岭地震，震级6.7级，震中附近有两座医院，其中南加州大学医院采用叠层橡胶支座基础隔震，橄榄景医院为传统抗震建筑。地震时南加州大学医院屋面最大加速度仅为橄榄景医院屋面最大加速度的1/10左右［2］。

3)1995年1月17日，日本阪神地震，震级7.2级，距震源东北35 km有两栋建筑，其中松村组技术研究所研究大楼为3层的钢筋混凝土结构，采用高阻尼叠层橡胶支座，毗邻的管理大楼为3层的钢结构抗震建筑，地震时，隔震建筑的屋面水平向最大加速度仅为抗震建筑的1/5～2/5，但竖向加速度并未减小，因为叠层橡胶支座不能减小竖向的振动［2］。

4)我国汕头市有两栋毗邻而建的规模相同的8层框架住宅楼，其中一栋为传统抗震建筑，另一栋采用叠层橡胶支座隔震，当1994年9月16日我国台湾海峡发生7.3级地震时，隔震建筑基本无震感，而采用传统抗震技术的住宅楼出现剧烈摇晃［3］。

从这些记录中可以看出，隔震装置具有明显的减震效果，并且有足够的耐久性，可使上部结构的加速度减小到不隔震时的1/5～1/3，使人身及财产安全可以得到有效的保护。

3 滚动基础隔震的研究

滚动隔震即在基础与上部结构之间铺设具有良好滑动性能的滚球或滚轴，使基础与建筑物之间产生相对滑动，并利用摩擦阻尼来消耗地震能。目前现有的滚动隔震装置包括:滚球加复位消能装置、双向滚轴加复位消能装置、滚球带凹形复位板、碟形和圆锥形支座等几种形式。

滚动隔震支座在国内研究发展状况:

1)王荣辉提出了一种滚珠—限位桥墩基础隔震系统，并对其进行了模型试验，之后通过数值方法对这种隔震系统限位装置的刚度与隔震效果进行了比较计算，研究结果表明:该隔震系统能对水平地震力起到有效的隔离作用。此后他又提出一种由钢球、竖向弹簧和插销组成的新型竖向弹簧—钢球隔震系统(见图4)。通过“对号入座”法则和势能不变值原理建立了该隔震系统的振动方程，分析了该隔震系统地震反应与不同参数之间的关系。结果表明，该隔震系统构造简单，易于制作，隔离水平地震的作用效果十分显著［5］。

图4 竖向弹簧—钢球隔震系统

2)基于对摩擦摆隔震和自由滚轴隔震的研究，丰定国提出了一种带有凹形复位板的隔震装置，其刚体计算模型如图5所示，这种球形隔震装置特点是具有复位功能，能使结构的地震响应较大减小。由数值分析得知在某些地震波的作用下，结构将会发生共振。但与共振频率有关的仅仅是基底装置的振动频率，与结构的动力特性几乎不相关。可通过调整隔离装置的参数，使其自振频率远离地震波的主频率，提高基底隔震结构的抗震能力。此外，滚动摩擦系数，刚性球的半径及基础板的质量对基底隔离结构的响应均有很大影响，而球形凹槽的半径对其影响很小［6］。

图5 带凹形复位板的隔震装置

3)史红福把带凹形复位板隔震装置与滚球加弹簧复位的优点进行综合，由此提出了一种新型基础隔震模型——滚球带凹形复位板加弹簧隔震装置模型。通过sumlink仿真技术和Matlab编程分析发现，良好的减震效果是此隔震装置特点之一，更重要的是它能更有效地限制底板位移，因其能适合各类地震的情况，同时具有两种滚动装置的作用，能够确保滚球始终在凹形复位板内连续滚动，所以其综合性能优胜于前两种隔震装置［7］。

4 研究发展新突破

尽管国内外学者对隔震理论的研究开展了大量的工作，各种实用隔震器已经应用于实际工程，但叠层橡胶隔震和滑移摩擦隔震都未能很好的解决上拔力的问题。

日本在2002年开发了一种直线式滑动隔震支座，并将其应用在了日本大阪的办公楼。该支座的特点是竖向抗压和抗拔能力很大，最大可承受压力45 000 kN，最大上拔力达到18 000 kN。这种直线式滑动隔震装置被业内人士普遍认为是从低层独户房屋到超高层建筑中都可使用的隔震装置，必将成为下一代的多用途基础隔震装置［8］。

吴冬梅在2007年结合使用形状记忆合金SMA，设计了一种类似于直线式滑动支座的滚动支座——SMA—滚动隔震支座(见图6)，并将其应用于火炬塔的基础部位，建立支座恢复力模型，进行该体系在EI-Centro地震波作用下发生的时程反应研究，并进行了与非隔震火炬塔结构体系的对比分析。最终结果表明，SMA—滚动隔震支座隔震体系的质量层最大绝对加速度可减少86.6%，上拔力减少了72.9%，轴力最大可减少87.2%［9］。

图6 SMA—滚动隔震支座模型图

蔡锦荣、刘树棠介绍在输电塔基础处设置SMA弹簧—轴承滚动支座的地震响应分析(见图7)，对滚动支座采用SMA弹簧作为复位和耗能元件，获得了较好的隔震效果，时程分析结果表明输电塔的构件内力、上拔下压力及层间位移显著降低，结构变形接近于整体平动［10］。由以上可以看出，将形状记忆合金(SMA)引入到滚动隔震支座中，使滚动隔震装置既有复位功能又有耗能作用，将是滚动隔震研究发展的新方向。

图7 SMA弹簧—轴承隔震支座剖面图

目前结构隔震领域研究中，水平隔震技术已日趋成熟，竖向隔震技术研究较少，然而在近十年来的数次地震中，竖向地震作用显著，竖向抗震理论的研究备受关注。滚动隔震装置的一个缺陷是不能隔离竖向地震作用，但增加结构的竖向隔震能力也是良好隔震装置的要求。

2004年，熊世树等创新地提出一种铅芯橡胶碟簧三向隔震支座(3DB)，该隔震支座可以有效地解决三向隔震问题［11］。3DB隔震装置的下部是铅芯叠层橡胶支座(LRB)，上部是加有阻尼材料的碟形弹簧支座(DSB)，3DB隔震层由LRB与DSB串联而成，DSB中设置有导向筒，使其在荷载作用下几乎只产生竖向位移。通过试验得出的滞回曲线来看，3DB的水平和竖向阻尼性能较好，阻尼比容易达到20%，3DB隔震装置有效地解决了三向隔震支座的竖向阻尼难题，并可以有效抑制摇摆，隔震后的地震反应比不隔震结构降低了50%，柱子的地震轴力降低了75%以上。2010年，颜学渊等人应用一种蝶形弹簧三维隔震抗倾覆支座(3D-BIORDDS)对一高层钢框架模型结构进行了隔离三向地震动激励的振动台试验［12］。试验结果表明:不管是短周期地震动还是长周期地震动装置都能够较好地减小结构的三向地震响应;但是结构的倾角反应较大，表明支座的竖向刚度应当进行更加合理的设计，以满足可使用性要求。可见将蝶形弹簧与滚动支座相结合解决装置的竖向抗震问题是一个很好的思路。