新型低模量超高阻尼橡胶支座在建筑结构中的应用研究

资道铭　靳建楠　莫曲浪

新型低模量超高阻尼橡胶支座在建筑结构中的应用研究

资道铭靳建楠莫曲浪

资道铭，男，高级工程师，柳州东方工程橡胶制品有限公司总工程师。2000年开始长期对减隔震技术及相关产品进行研究，获省部级科技发明二等奖一次，科技进步二等奖两次，三等奖一次。主持编制了两部交通部行业标准——《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》《桥梁超高阻尼隔震橡胶支座》。申报并获得发明专利七项，实用新型专利八项。

地震灾害带来的结构安全危胁是一个非常特殊的安全因素，它具有不可预知、无法避免，且破坏严重和时效长等特点。近几十年来，世界发生了一系列灾难性大地震，如1995年的日本阪神大地震、2004年的印尼苏门达腊地震、2008年的5・12汶川大地震、2011年的3・11东日本海大地震，均对大量建筑和桥梁结构造成了毁灭性破坏，给灾区带来了巨大的灾难。

长期以来，结构师们在努力寻找能够抵御地震对工程结构破坏的方法，而减隔震技术是目前被公认最有效的方法之一，在国外早已得到广泛使用，不少已经经受了实际地震的考验。周福霖院士认为，“隔震减震技术是40年来地震工程最重要的成果”。

传统抗震设计方法是依靠增加结构自身的强度和刚度来抵抗地震。尽管通过加大截面尺寸、加大配筋和选择塑性铰位置等可以确保结构的整体性，防止结构倒塌，但无法避免结构构件的损伤，尤其是室内设备、家具等的倾倒、损坏甚至造成人员伤亡。而且，使用传统的抗震方法，由于加大结构刚度，会导致更多的地震能量从地面传递给结构（见图1），形成恶性循环。

建筑隔震主要是通过在建筑基础或下部结构与上部结构之间设置水平刚度较小的隔震装置（见图1），来延长结构的自振周期，减小上部结构的地震反应。地震时，结构的水平变形主要集中在隔震层，上部结构变形减小，同时利用隔震装置的阻尼来消耗地震能量，控制结构的地震位移，保证结构的安全。

道路桥梁是震后抢险抗灾通道的咽喉，其抗震能力的重要性不言而喻。2008年汶川地震后，我国交通部颁布了新的公路桥梁抗震标准《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008），与旧版桥梁抗震规范《公路工程抗震设计规范》（TJ 004-89）相比，增加了减隔震设计相关内容；2011年，住建部又颁布了《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011），使新的桥梁抗震思路与方法在国内的应用有了法律依据。对于建筑结构，由于其单位面积人口密度大，结构安全也倍受重视，早在2001版的《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）便提出了减震隔震设计技术的应用。

为使隔震结构在地震中的安全得以保证，研究开发出性能稳定、质量可靠、便于安装维护又造价可控的减隔震装置，是重要的环节。在桥梁领域，铅芯隔震橡胶支座、超高阻尼橡胶支座作为优异的隔震装置，均已得到广泛应用，并且针对这两类隔震装置，交通部分别在2012年、2014年颁布了《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》（JT/T 822-2011）和《桥梁超高阻尼隔震橡胶支座》（JT/T 928-2014）。而在建筑领域，虽然2006年颁布的国家隔震支座标准《橡胶支座第3部分：建筑隔震橡胶支座》（GB 20688.3—2006）中已经包含了铅芯隔震橡胶支座与超高阻尼橡胶支座，但目前国内还一直无法开发出可用于建筑结构隔震的超高阻尼橡胶支座，因此建筑中使用的隔震装置几乎均是铅芯隔震橡胶支座。

图1　非隔震结构与隔震结构地震响应示意

图2　无铅型隔震橡胶支座结构

图3　铅芯隔震橡胶支座结构

低模量超高阻尼橡胶支座介绍及性能研究

隔震支座按主要材料的不同可分为：金属类隔震支座和橡胶类隔震支座。金属类隔震支座一般用于特大承载力要求的工程结构，而橡胶类隔震支座一般用于中小承载力要求的结构。建筑结构所需的支座承载力一般不大。因此，最适于使用橡胶类隔震装置。

橡胶类隔震支座的分类及结构

在工程结构上使用的橡胶隔震支座主要有以下几类：

1） 无铅型隔震橡胶支座

无铅型隔震橡胶支座是用天然橡胶与钢板叠层硫化粘结而成（见图2）。它在水平方向具有弹性性能，不具备显著的阻尼特性，其阻尼比为5%左右。在结构动力分析中，采用线弹性恢复力模型，不考虑其阻尼耗能。

2） 铅芯隔震橡胶支座

铅芯隔震橡胶支座由橡胶层、钢板叠层粘结再灌入铅芯棒组合而成（见图3）。钢板提高支座竖向刚度，使之能有效地支承上部结构；橡胶层赋予支座高弹性变形及复位和承载的功能；铅金属的“再结晶”性能，使得铅芯棒在支座发生剪切变形时会被挤压变形、剪断，而后又慢慢结晶，该过程中会消耗大量能量，从而增大支座阻尼。因此，铅芯隔震橡胶支座具有较高的承载性，较大的阻尼，大水平位移能力和复位功能。

3）超高阻尼叠 层橡胶隔震支座（HDR，SHDR）

超高阻尼叠层橡胶隔震支座在结构上与无铅型隔震橡胶支座一样，但其橡胶采用特殊材料，例如在橡胶内混合某些高分子聚合材料，调节和改变了材料的阻尼性能，使支座在发生快速水平剪切变形时消耗较大能量。普通高阻尼橡胶支座的阻尼比在12%以上，而超高阻尼橡胶支座的阻尼比可以达到18%以上。超高阻尼叠层橡胶隔震支座兼有隔震装置和阻尼器的作用，在隔震系统中可独立使用。

橡胶类隔震支座的性能研究

水平剪切性 能是隔震支座最重要的指标。几类隔震橡胶支座典型的滞回曲线见图4～图7。

由图4至图7可以明显看出，超高阻尼橡胶支座比高阻尼橡胶支座的滞回曲线更饱满，阻尼比更高，耗能能力更强，因此对铅芯橡胶支座的替代性也更强。当然，其生产工艺及其技术要求也更高。

对于隔震支座，水平剪切性能还受许多因素的影响。因此，必须考虑其相关稳定性能试验的研究。柳州东方工程橡胶制品有限公司（OVM）资道铭等已经对几种不同的隔震橡胶支座相关稳定性试验（包括压力稳定性、温度稳定性、频率稳定性、水平疲劳稳定性）结果进行了公布。

铅芯隔震橡胶支座是性能非常优异的隔震产品，具有竖向承载能力高，水平刚度低，耗能能力强且结构简单、性能可靠等特点，在建筑中被大规模使用，是最重要的隔震装置。但它使用了重金属铅，铅会对人体健康造成极大损害，并可能严重污染土壤。在日益重视环境保护的当今，它的使用将会越来越受局限。虽然在铅芯橡胶支座中，铅被密封在内部，正常使用时不会产生环保问题，但在炼铅过程中会产生污染，间接地污染了环境；另外，若隔震建筑拆迁或隔震装置更换时，忽略了铅的回收处理，将可能对环境产生灾难性污染。随着经济的发展，国家对环保愈加重视，要求日益严格，使用更加环保的新型隔震装置是大势所趋。

图4　天然叠层橡胶支座的滞回曲线

图5　铅芯隔震橡胶支座的滞回曲线

图6　高阻尼橡胶支座典型滞回曲线（HDR）

图7　超高阻尼橡胶支座典型滞回曲线（SHDR）

建筑和桥梁所使用的隔震橡胶支座在性能上有较大区别。建筑隔震橡胶支座需要承受比桥梁更集中的竖向荷载，竖向变形要求小，无转角要求，因此在设计时其竖向刚度相对要大很多。而在水平方向，其水平刚度的要求又较桥梁隔震橡胶支座小很多，即建筑隔震橡胶支座的橡胶弹性模量值要比桥梁低很多。一般情况下，桥梁隔震橡胶支座的橡胶弹性模量为0.8 MPa～1.2 MPa，而建筑为0.4 MPa～0.6 MPa。铅芯隔震橡胶支座主要由铅棒耗能，使用的橡胶一般是纯天然橡胶，因此其橡胶模量变化的配方研制相对简单；而超高阻尼橡胶支座的耗能是由橡胶本身提供，在橡胶材料的选取上要进行考究，并在橡胶配方中添加特殊材料，以提高橡胶的阻尼性能。但通过添加特殊材料增加橡胶阻尼性能的同时，橡胶的模量会大幅增加。因此，研发可用于建筑结构隔震的低模量超高阻尼橡胶支座，其难度远高于桥梁超高阻尼支座。

柳州东方工程橡胶制品有限公司（OVM）继早期对桥梁铅芯隔震橡胶支座、超高阻尼隔震橡胶支座的深入、系统研究与开发，并大规模推广应用之后，现又成功研究开发出国内领先的低模量超高阻尼橡胶支座（见图8），其模量低，在0.5 MPa左右；阻尼比高，达到18%以上，突破了低模量与高阻尼成反相关特性的限制。在国家标准中，最高级别S－A类建筑隔震橡胶支座的极限剪应变能力要求达到350%，而低模量超高阻尼橡胶支座极限剪应变可达到460%，远超标准要求（见图9）。为环保、低模量、高耗能及大变形能力隔震橡胶支座在建筑上的应用提供了技术保障。

低模量超高阻尼橡胶材料经过改性后，具有更好的耐老化性能，能提高支座的使用寿命。由于高阻尼材料的特殊性，支座在100%剪应变时，具有高阻尼比，低支座屈服力、低水平刚度值，利于隔震分析时对减震系数的控制；而在250%剪应变时，由于其“硬化”现象，会因力值增加变快而产生曲线上翘的情况，即支座的等效刚度会变大（见图10），有益于大震时对建筑位移的控制。而铅芯橡胶支座在250%剪应变时则不会产生硬化现象（见图11）。

图8　JZSHDR600x173试验滞回曲线（100%剪应变）

图9　JZSHDR600x173极限试验滞回曲线（460%剪应变）

图10　低模量超高阻尼橡胶支座250%剪应变滞回曲线

图11　铅芯橡胶支座250%剪应变滞回曲线

低模量超高阻尼橡胶支座替代铅芯橡胶支座分析探讨

为研究低模量超高阻尼橡胶支座用于建筑隔震设计的有效性，我们将其与使用铅芯橡胶支座的方案进行分析对比。一是分析低模量超高阻尼橡胶支座用于隔震建筑的可行性；二是看两类隔震橡胶支座用于建筑隔震设计哪种方案更优，以及低模量超高阻尼橡胶支座是否可以完全替代铅芯橡胶支座。

工程概况

某学校项目为多塔楼框架结构，根据结构缝将结构分成6个单塔结构，分别进行隔震效果分析，C塔楼地上7层，A、D、E、F塔楼地上均为5层，B塔楼地上2层，A、B、C塔楼有一层地下室，层高3.9 m，隔震层设于地下室与首层之间，隔震层高1.5 m，地上首层层高4.2 m，其他层高多为3.9 m。建筑总高度为32.4 m。地下室设有配电房及消防水池，地上部分为学校主体建筑。

建筑类别为乙类，结构设计使用年限为50年，本地区抗震设防烈度为Ⅷ度（0.20 g），场地类别为Ⅲ类，设计基本地震分组为第一组，场地为对建筑抗震一般地段。基本风压按50年一遇的基本风压采用，取ω=0.45 kN/m2，地面粗糙度B类。

图12　抗震结构三维模型图

图13　多塔模块编号

图14　隔震层上支墩及下支墩平面布置图

图15　支座布置图（方案1）

图16　支座布置图（方案2）

图17　支座布置图（方案3）

支座布置及统计

因本文只做抗震及不同支座类别的分析对比，为简化篇幅，选取D模块进行分析研究。由于铅芯橡胶支座有比较大的屈服力和初始刚度，建筑结构在使用其做隔震设计时，为了调配隔震建筑的水平刚度，以确保在设防烈度地震分析时减震系数达到需求，隔震层一般还需配置一定数量的无铅型隔震橡胶支座。为便于比较，我们将分析结构分为传统的非隔震结构及隔震结构，而隔震结构的隔震层设计为三个方案，分别为：超高阻尼橡胶支座布置（方案1）、铅芯橡胶支座与无铅型橡胶支座组合布置（方案2）、铅芯橡胶支座布置（方案3）。

各方案的支座布置示意图见图15—图17，支座数量统计及各支座性能参数分别见表1、表2。表3为隔震层偏心率结果，在选择、布置隔震支座时，应尽量使隔震层重心与其刚度重心重合或接近，如表3所示，结构两个方向最大偏心率均小于3%，隔震支座布局合理。

表1　D模块3个方案支座型号与数量统计

表2　建筑隔震橡胶支座参数

表3　结构偏心率计算

D模块结构模型隔震效果

（1）周期对比

非隔震模型的周期、隔震后的周期及周期放大系数如表4所示。隔震前，对比SATWE和ETABS计算结果，周期误差很小；隔震后，三个方案均放大到原周期的3倍以上，其中方案1放大倍数最大。

（2）地震波

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010，以下简称《抗规》）5.1.2条规定：本工程选取了5条天然波和2条人工模拟加速度时程，进行时程分析，7组时程的平均值与振型分解反应谱法的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

表4　结构周期对比

根据《抗规》3.10.3条及12.2.2条，本工程计算分析时设防地震峰值加速度取200gal，罕遇地震峰值加速度取400gal。本工程所选天然波来自美国太平洋地震工程研究中心（PEER）数据库。

规范谱与反应谱对比图如图18所示，各地震波反应谱曲线与规范谱在前3阶周期处相差±20%以内，7条反应谱曲线平均值与规范谱吻合较好；基底剪力对比结果如表5所示，地震波在两个方向基底剪力最小值与最大值分别为反应谱计算结果的69%和92%，且7条时程曲线平均基底剪力均＜120%，并＞80%，满足规范要求，可以用于工程设计。

图18　规范谱与反应谱对比图

表5　非隔震结构基底剪力（Ⅷ度设防地震，即各地震波峰值为200gal）

表6　X方向结构非隔震与隔震下各层剪力（KN）

（3）结构减震系数

表6为设防地震作用下时程分析得出非隔震结构与隔震结构层剪力，及隔震结构水平向减震系数，表中各层剪力为7条时程波的平均值。

在方案2中，铅芯橡胶隔震支座与橡胶隔震支座组合布置时，因可以使用无铅型橡胶支座对隔震层刚度进行调整，为便于比较，调整支座布置使其减震系数与方案1尽量接近。从表6中可以看出，方案1与方案2各楼层的减震系数都很接近，即从层剪力来看，方案1与方案2隔震效果接近；而在方案3中，由于全部是铅芯橡胶支座，其隔震层刚度比方案1的要大，方案1楼层剪力略小于方案3，即从层剪力来看，方案1较方案3隔震效果更好。

（4）罕遇烈度隔震层位移

罕遇地震烈度作用时隔震层最大水平位移如表7所示，最大位移取7条时程波支座最大位移的平均值。

图19　X方向楼层剪力图

图20　Y方向楼层剪力图

表7　罕遇地震作用时结构隔震层最大层间位移（mm）

设计的方案1减震系数明显小于方案3时，两方案隔震层位移接近；而方案1与方案2减震系数相近时，方案1隔震层的位移更小。即低模量超高阻尼橡胶支座作为隔震层，综合了分别全部采用铅芯隔震橡胶支座与部分采用铅芯橡胶支座组合无铅芯橡胶支座使用的两种方式的优势。

结论及建议

1）工程结构减隔震技术在国内已经被广泛接受，橡胶类隔震支座结构简单易安装，抗震效果显著，其作为重要隔震装置已被业内认可，铅芯橡胶支座已大量应用于减隔震建筑结构。随着隔震建筑的日趋增多，铅芯隔震橡胶支座的用量越来越大，然而其中所使用的重金属铅对环境的潜在危害不容忽视；

2）低模量超高阻尼橡胶支座结构简单，性能可靠，极限变形能力强，更环保，可完全替代铅芯橡胶支座用于建筑隔震。其在小应变情况下（100%剪应变），屈服力小、水平刚度低，阻尼比高；而大变形（250%剪应变）时产生翘尾现象，水平等效刚度增大。这种特性使其既在中震时满足减震的需要，大震时又能更好地控制结构地震位移。低模量超高阻尼橡胶支座用在建筑隔震层，支座类型统一，刚度分布更均匀，可以提供足够的初始刚度保证结构在风荷载、较小地震或其他非地震水平荷载作用下的稳定性。作为替代方案，其效果更优于全部使用铅芯隔震橡胶支座或使用铅芯橡胶支座与无芯型橡胶支座组合的方案；

3）低模量超高阻尼橡胶支座具有更好的耐老化性能，使用寿命更长，而其产品价格却与同类型铅芯隔震橡胶支座几乎相当，因此具有更高的性价比；

4）保护环境，造福人类。使用更环保的低模量超高阻尼橡胶支座，应该是工程设计者需要考虑的问题，也是大势所趋。