隔震技术的发展与研究

尹新生 王 璇

(吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程研究中心，长春 130118)

0 引言

1881年，由日本学者河合浩藏首先提出基础隔震的概念．隔震技术被美国地震专家称之为“40年来世界地震工程最重要的成果之一”［1］．采用的方法是在结构与基础之间或结构中某个位置安装隔震装置，隔离或消耗地震能量，使上部结构受到的地震作用减轻，保障建筑物在地震时的安全性，从而确保人类的人身安全和国家财产安全．

1 液体粘滞阻尼器和橡胶支座

阻尼器的安装可以增加结构的抗震、抗风能力，在罕遇地震和大风情况下，保证结构“不倒”．阻尼器的设计使用既可以为工程节省预算，又能保证工程质量．

(1)液体粘滞阻尼器． 该阻尼器内置液体，本身没有可计算的刚度，从而不影响整个结构的周期和原有的设计;该阻尼器的滞回曲线呈椭圆型，保证了安置在结构上的阻尼器在最大位移状态下受力为零，这一性能对减小结构反应十分有利;可在地震和大风荷载下重复使用，容易进行修复;有很好的抗火性能，几十年没有老化、变质问题．

图1 粘弹性阻尼器

(2)粘弹性阻尼器． 该阻尼器的液压缸分为阻尼和液体弹簧两部分(如图1)．阻尼器部分是完全相同于传统的液体粘滞阻尼器，而弹簧部分是一个双向作用的液体弹簧．这种阻尼器比传统的液体粘滞阻尼器增加了刚度，能更好地抵抗风荷载．

(3)风限制器阻尼器． 该阻尼器是在液体粘滞阻尼器基础上改进的．为了防止液体粘滞阻尼器在较低的风力或其他荷载的作用下产生两端的运动，在其上增加一个机械元件——滑动的金属卡环［2］．其设置的对角或其他形式的支撑像刚性连杆一样提供刚度支撑，当地震发生时，起到耗能隔震的作用．

(4)熔断阻尼器． 该阻尼器比一般的液体粘滞阻尼器多了一个金属熔断装置，该熔断装置限制阻尼器需受力达到一个特定值时才可以进行工作，类似于风限制器阻尼器．当遇到较大荷载时，金属保险片将断裂，阻尼器将像一般阻尼器一样工作．

橡胶支座是目前应用非常广泛的支座，适用于各种桥梁和房屋的隔震设计．国内外已有很多建筑应用了橡胶支座，并取得非常好的效果．有铅芯橡胶隔震支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座和QZ系列球型支座等，其中铅芯橡胶支座使用最为广泛．

2 摩擦摆系统

摩擦滑移隔震是早期开发应用的隔震技术之一，但传统的滑移系统需要加设另外的复位系统使其复位，且由于滑移量不易控制，使滑移隔震发展缓慢．

(1)曲面式摩擦摆隔震支座分为普通摩擦摆隔震支座(如图2)、变曲率和变摩擦单摆隔震器、摩擦复摆(双凹摩擦摆)隔震器和多级(三重)摩擦摆隔震器．

图2 摩擦摆隔震支座

上述摩擦摆隔震支座的构造或工作原理都是由普通摩擦摆隔震支座演变延伸而得到的．摩擦摆隔震系统的滑块中有一关节，它使滑块在其沿滑道滑动时保持水平．滑道与滑块面具有相同的曲率半径且涂有低摩擦材料，如聚四氟乙烯等［3］．当地震作用超过静摩擦力时，摩擦摆支座通过球形滑动面的运动，使上部结构发生单摆运动，支座水平力为滑动面摩擦力和上部结构沿滑道上升产生的恢复力的合力．隔震系统的周期和刚度可通过选取合适的曲率半径控制，阻尼由动摩擦系数控制．

(2)沟槽式摩擦摆隔震支座分为沟槽式摩擦单摆隔震器(如图3)、沟槽式摩擦复摆隔震器(如图4)和抗隆起(拉伸)摩擦摆隔震器(如图5)．

图3 沟槽式摩擦单摆隔震器分解与组立

图4 沟槽式摩擦复摆隔震器

图5 抗隆起摩擦摆隔震器

3 钢铅组合耗能器

铅是本构关系类似于理想的塑性体，是一种非常理想的耗能材料．软钢耗能器的研究也趋于成熟，结合钢材和铅这两种优秀的材料，很多学者提出了钢铅组合耗能器．

(1)钢铅组合耗能器． 其工作原理是在小震作用下，钢片产生小变形，挤压里面的铅体，利用铅的变形来消耗能量［4］．大震时，钢片也达到屈服，参与能量的消耗(如图6)．

(2)工字型钢铅组合耗能器． 是将铅由外部不锈钢板包裹而成，耗能器总体成工字型，耗能器腹板和翼缘部分用小螺栓锚固，保证两种材料的协同工作，达到耗能的作用(如图7)［5］．

(3)钢棒—铅棒组合隔震器． 根据上部结构的总荷载，计算钢棒、铅棒的数量和大小，将铅棒、钢棒均匀地布置在两道地梁中间，钢棒和铅棒两种不同的材料协同作用，达到良好的隔震效果［6］．这种钢铅组合器相比前两种在制作工艺上更加简单，施工更加方便，更容易推广．

图6 钢铅组合耗能器示意图

图7 工字型钢铅组合耗能器

4 结语

经过数次的大地震，地震工作研究者对由抗震到隔震研究有了突破的进展，这些隔震器都得到了应用并收到很好的效果．但钢铅组合耗能器以其取材容易、制作工艺简单、施工方便等优点，可能会成为未来的趋势，具有良好的应用前景．

［1］马 英．隔震技术构筑安全家园［J］．现代职业安全，2008(9):21-22．

［2］陈永祁，杜义欣．液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展［J］．工程抗震与加固改造，2006，28(3):65-72．

［3］龚 健，周 云．摩擦摆隔震技术研究和应用的回顾与前瞻(Ⅰ)［J］．工程抗震与加固改造，2010，32(3):1-6．

［4］王铁英，王艳武，王焕定，张永山．钢铅组合耗能器力学性能试验研究［J］．工程力学，2005，22(2):149-154．

［5］辛亚军，程树良，王焕定．工字型钢铅组合耗能器的非线性有限元模拟［J］．世界地震工程，2009，26(3):182-187．

［6］张 昊，尹新生，胡成海．一种新型钢棒隔震器的研究［J］．吉林建筑工程学院学报，2013，30(3):38-40．