建筑物用减震支座的使用现状与未来

武爱军, 韩 燕 编译

（中国石油兰州化工研究中心, 甘肃 兰州 730060）

建筑物用减震支座的使用现状与未来

武爱军, 韩 燕 编译

（中国石油兰州化工研究中心, 甘肃 兰州 730060）

摘 要:文中综述了抗地震领域的最新科技进展和未来的发展前景。以2011年日本“3・11”大地震为例，介绍了抗地震技术在大地震中发挥的非常有效的作用。

关键词:减震；橡胶支座；阻尼器

0 前 言

2011年3月11日发生的9.0级东日本大地震，是进入20世纪以来世界上发生的巨大地震之一。由于橡胶材料具有独特的性能，因而被广泛应用于减震系统（装置）中，它在历次大地震中均发挥了极大的作用。文中就橡胶减震技术的现状与未来进行了阐述。

1 减震系统（装置）

减震系统由减震用叠层橡胶（减震橡胶）、阻尼器（铅阻尼器、钢阻尼器、油阻尼器等）、滑动支撑等几个部分组合而成。其基本原理是利用了橡胶的低剪切模量和高体积弹性模量。即，直接将橡胶块置入建筑物的地基中，橡胶块纵向下沉，横向呈圆鼓状膨胀。如果把铁板埋入橡胶中，形成多层（夹层）结构，使橡胶与铁板粘合成为一个整体，就可以使之受到抑制，获得低剪切模量和高承重支撑能力。可表征减震橡胶特性的参数有1次形状系数（受压面积/自由面积）S1、2次形状系数（直径/橡胶部分的总厚度）S2。根据经验，通常S1约为30，S2约为5.0。

将减震橡胶系统设置在建筑物的地基部位，地震就不会直接传递给建筑物，可以缓和建筑物上面楼层的晃动，延长建筑物摇晃的周期。在通常情况下，地面的震动会直接传递给建筑物，楼层越高，摇晃的幅度越大。从物理方面讲，用频谱仪分析地震波时，由于减震橡胶具有较低的剪切模量，它能够长时间保持整个建筑物的固有频率，从而使建筑物仅受到地震波长周期部分的影响。通常地震波的频谱在1s周期以内形成波峰，如果此时置入减震橡胶，建筑物的固有周期为3～5 s，这样就有可能避免由地震造成的摇晃。但是，这样同时会使建筑物所承受的加速度降低，因此摇晃变得缓慢。地震时建筑物里的人员会承受船舶在大海里摇晃一样的感觉。

减震橡胶大致可分为3种，图1为以天然橡胶为主体的减震橡胶，结构如图1（a）所示，外层包覆橡胶为耐候性好的乙丙橡胶（EPR）等。（b）为其特性实例，横坐标为位移，纵坐标为应力。一般减震橡胶通常载荷为10～15 MPa，也就是说，每一平方米可承重1000～1500 t，设计使用年限为60年。图1（b）为天然橡胶制叠层橡胶（LNR）减震实例，基本上没有滞后损失，通常根据不同的使用目的与油阻尼器、铅阻尼器、钢阻尼器等共同组成减震系统。另外，如图2所示，在中心插入铅芯棒制成的减震橡胶（LBR），其特性如图2（b）所示具有滞后损失。因此，LBR可以不使用阻尼器。这种减震器经常用于桥梁减震，因为桥梁上没有多余的位置来设置阻尼器。但是，大量使用铅会对生态环境造成很大影响。再如图3所示，人们还开发出自身具有高衰减性的减震橡胶（HDR）。但是HDR的滞后损失如图3（b）所示，它对振幅、频率和温度均具有依赖性，像实际的地震中。它可以三维位移，由于位移和应力的相位不同，故在使用时应对其进行充分的研究。在高衰减橡胶中使用了不同的混炼胶以及充填了纳米级填充剂的胶料。

图1 叠层天然橡胶支座（LNR）的模型图（a）和特性实例（b）

图2 插入铅芯棒的叠层天然橡胶支座（LBR）模型图（a）和特性实例（b）

图3 高衰减叠层橡胶支座（HDR）模型图（a）和特性实例（b）

图4 叠层减震橡胶的压缩剪切试验装置（a）和试验中的减震橡胶（LNR）（b）

使用减震橡胶的建筑物，以及土木业界应以实物试验为依据，实验室里的模拟试验最终只能作为参考。因此，在减震橡胶的试验装置上应能够检测如同实物一样大小的减震橡胶的特性，且必须能够压缩剪切。图4所示的是一个实例。该大型油压式装置最大压缩负荷为3200 t，水平最大负荷为1000 t，垂直方向最大拉伸负荷为1000 t，水平方向最大冲程为±1000 mm，该装置高度约为9.8 m，深度14 m。图4（b）是直径为1 m的减震橡胶压缩剪切试验装置，减震橡胶的侧面产生棱条状形变，在其内部许多铁板精确地与橡胶叠合在一起。对于该试验装置来说，要求其垂直方向上有拉伸负荷能力，这是因为在超高层建筑物的抗震过程中，建筑物会发生倾斜，所以必须假设减震橡胶会受到拉伸负荷的作用。

2 减震系统的耐久性

人们期望减震系统的寿命要达到60年，这样人们最关注的问题应是减震橡胶的耐久性。在日本，从开始使用减震橡胶至今还没有超过30年，对60年后的情况只能进行预测。为了获得参考数据曾进行了大规模的试验。例如，取出使用了近10年的桥梁支座和建筑物用减震橡胶，研究这些实物减震橡胶随年份的变化。图5（a）为日本枥木县的一座大桥，其全长246.3 m，共有6个桥墩。在桥墩与路面之间设置了如图5（b）所示的桥梁用减震橡胶支座（HDR）各2个（长为1520 mm，宽为970 mm，高为277 mm）。橡胶层数为8层，橡胶层间的厚度为18.7 mm。它是日本初次使用HDR的桥梁，于1992年完工。2002年（约使用10年后）从中取出2块减震橡胶，再向支座中放入新的减震橡胶块。随后，测定了取出的减震橡胶的剪切刚度、衰减常数、压缩弹性等特性，通过比较随年份的变化，发现剪切刚度约上升了3.8%，其他性能在尚允许范围内，基本上没有发生变化。另外，在压缩剪切破坏试验中，压缩模量为456%，伸长约700 mm，与初始性能比较也没有变化。用金刚石刀具将减震橡胶切碎（作为试样），研究从橡胶表面到内部的性能（拉伸强度、伸长率、微观硬度等）。结果表明，从表面到深20 mm左右处性能略有变化，但是在其内部基本上与新减震橡胶一样没有变化。从名古屋某公寓下面取出了2块直径为700 mm的建筑物用减震叠层橡胶支座，并对其进行了研究，结果相同，仅仅剪切刚度大约上升了5.5%，其他性能上基本没有变化。从减震橡胶的表面到其内部基本上看不到什么变化。这可能是因为建筑物减震用叠层橡胶设置在日光照射不到的建筑物的基础部位之故。

图5 日本枥木县某大桥（a）和大桥下设置的桥梁用减震橡胶支座（HDR）（b）

3 减震系统（装置）

减震系统是指利用建筑物内部结构使进入建筑物中的地震能量衰减，防止增幅，从而减轻建筑物震动的装置。从物理意义上讲，可以考虑采用建筑物内部安装的能量吸收机构来减少进入建筑物的地震能量。为此，可以使用多种方法来实现之，在多半情况下可使用油阻尼器，但也有利用橡胶材料黏弹性的方法。就橡胶材料而言，高衰减橡胶可用于建筑物的支撑部分与柱子之间，以吸收使建筑物发生摇晃的能量。此时，如同减震橡胶一样，橡胶材料不仅仅可支撑载荷，对于剪切变形和拉伸变形来说，只要表现出减震性能即可，对材料的限制比较宽松。因此，减震材料的地震频率、振幅范围内的力学损耗系数tan δ要大，而对温度的依赖性（例如0～40 ℃）要小。

虽然，目前减震橡胶多半使用于超高层大楼，（最高为47层）但人们倾向于在比这更高的超高层大楼等建筑物也使用减震系统。另外，减震系统还可以在施工完成后安装，因此，减震系统在普通大楼、居民住宅中也开始逐渐普及。目前尚无有关减震系统的JIS和ISO标准，希望今后能实现标准化。

4 结 论[1]

在2011年“3·11”东日本大地震中，实际验证了减震系统的有效性。今后的研究课题是条件更加苛刻的核电站的减震、精密仪器较多的半导体工厂和高科技工厂的减震以及三维减震等。另外，在今后的大地震中如果发现减震橡胶出现问题，相应的ISO和JIS也要随之改进，这对今后的推广和普及很重要。例如，中国已翻译了ISO 22762标准，并于2010年制定了减震橡胶的国家标准。在2008年的四川汶川大地震中，已实际验证了减震橡胶的有效性，所以减震建筑物得以快速地普及。据悉，至2011年末，已建成了2500栋具有减震功能的大楼。又如，昆明新国际机场的所有建筑物已实现了整体减震。未来，日本的减震建筑数量可能会被中国所超越。

参考文献：

[1] 西敏夫. 免震·制震システムの現状と將来[J]日本ゴム恊会誌. 2012(4)：13-18.

[责任编辑：邹瑾芬]

埃克森美孚新加坡丁基橡胶和氢化石油树脂工厂奠基

埃克森美孚10月21日在其新加坡化工厂举行奠基仪式，开始兴建两套新的特种聚合物生产装置。埃克森美孚不断致力于提供多种化工产品，推动地区经济发展，该项目再次体现了公司的这一宗旨。

就在10个月前，埃克森美孚刚刚庆祝了在新加坡的大型石化扩建项目顺利建成投产。10个月后的今天，公司将开始在裕廊岛的工厂兴建新的卤化丁基橡胶和氢化石油树脂生产设施。该项目预计2017年完工，届时将新增大约140个工作岗位，而目前这一一体化生产基地拥有2000多名员工。

“我们在新加坡扩建的蒸气裂解装置为多种石化基础原料提供了一个增长平台，这些石化基础产品可进一步加工成特种产品，如卤化丁基橡胶和粘合树脂。”埃克森美孚化工公司高级副总裁钱甫仁说。在奠基仪式上，钱甫仁补充道：“埃克森美孚新加坡化工厂拥有优势原料、规模效益以及卓越的物流，是满足快速增长的亚洲市场需求的理想生产基地。”“这个新工厂再次体现了埃克森美孚的宗旨和承诺，即不断加大在新加坡的投资，推动我们的业务未来在本地区的增长并提高我们的竞争力。”埃克森美孚亚太区私人有限公司董事长兼总经理颜少奇先生说，“我们决定在本地区扩大运营规模，这也是我们认可新加坡在全球贸易和经济增长中长期重要作用的有力证据。”“我们非常高兴埃克森美孚在新加坡兴建另一个世界级生产设施，这将满足对卤化丁基橡胶等具有可持续发展优势的产品不断增长的需求。这项投资也体现了埃克森美孚与新加坡的长期合作关系。我们会继续加深合作，抓住本地区新的增长机会。”新加坡经济发展局助理局长林国强先生说。

埃克森美孚是全球轮胎行业卤化丁基橡胶的主要供应商，此次扩建项目可增加14万t的年产能。氢化石油树脂生产装置将成为全球最大的同类装置，年产能90 000t，可满足热熔胶领域的长期增长需求。

（来源：中国橡胶信息贸易网)

中图分类号:TQ 336.4+2

文献标志码:B

文章编号:1671-8232(2014)10-0053-04

收稿日期：2014-03-03