隔震支座力学性能综述

王加雷

（广州大学土木工程学院 广东广州 510006）

1 研究意义

建筑隔震的原理是通过底部基础的橡胶支座，将输入的地震能量与上部建筑产生动力放大的结构隔绝，从而减少上面结构构件的位移反应。随着隔震技术越来越成熟，研究考虑的难题也逐渐显现，比如隔震支座的水平位移复位，橡胶支座的抗拉性能，高层结构的抗倾覆能力，橡胶温差的性能变化，大跨度空间结构支座的转动，隔震技术不具备竖向隔震的效果，铅芯橡胶不同尺寸隔震的影响，增加隔震支座面积的工艺造价高，农村的砖混砌体强度低，水平隔震效果比竖向更加明显，隔震支座的安装位置不在地震波的方向。

本文在隔震支座发展的过程中，对不同发展阶段遇到力学性能难题进行研究，提出解决的方法和理论，并在这些技术的基础上，提出新的问题。

2 基本性能

在建筑结构下面组装隔震支座，能够保证地震动力响应与上部结构隔离，隔震效果的优劣必须对橡胶支座的力学性能进行分析。

Gyung Ju Kang等对比试验不同纤维增强材料隔离装置，提出应用高阻尼性能支座。谭平等以不饱和材料支座进行试验，提出水平刚度随压应力的增大而降低，随水平剪应变的增加而下降。林达文等对隔震支座力学性能做了实验研究，包括抗压模量，耐臭氧性能，复原弯矩，偏心加载，剪切高低温，实验得到的数据验证了良好的抗震性能。李旭东提出水平刚度，竖向刚度和阻尼比是影响结构稳定的参数，并进一步提出了在力学参数的基础上，设计结构，优化工艺。

3 不同支座类型隔震

3.1 碟形弹簧复合隔震支座

地震震级增加一级，释放的能量呈32倍递增，相当于40000颗原子弹的威力。房屋的隔震支座，选用的阻尼材料需要消耗大量能量，在机械和航空领域，碟形弹簧阻尼器应用较多，它具有性能稳定，高阻尼等特点。Min-Sang Seong等将MR阻尼器和碟形弹簧组合，应用于军用车，用计算机模拟多方向振动，验证效果很好。王维等提出将黏弹性材料和碟形弹簧复合成隔震支座。碟形弹簧将地震力与上部结构隔开，并通过黏弹性材料消耗能量。

3.2 HPIS隔震支座

对于橡胶的竖向性能，高层建筑对其要求比较高，国家规范限制竖向承载能力在12MPa左右，而橡胶支座的最高承载能力在55MPa左右，橡胶隔震支座的性能得不到充分利用。

杨巧荣等提出2、3和4支座布置的组合支座系统，铅芯橡胶支座和天然橡胶支座的水平刚度随剪应变的增加而变小，剪切变形越大，其屈服刚度下降越大，随着压应力的增大，组合橡胶支座的水平刚度变化不明显。

4 不同支座材料隔震

目前支座类型与力学性能的联系，橡胶的平面尺寸与强度之间的相关关系，并未建立一套完整的运用理论。早期的研究提出，橡胶厚度因高温而改变，采用原尺寸会引起设计问题，徐永秋等提出了图1的层叠橡胶支座的竖向刚度计算方法，需要考虑橡胶的直径、厚度、钢板的属性来修正计算系数。

对于图2的新型塑料夹层纤维橡胶，与钢板加劲橡胶相比，竖向刚度接近，水平等效刚度能达到80%。它具有造价低，耐久性强等特点，适用于农村不发达地区。

图3的高阻尼材料支座，集合竖向承载力，水平复位能力和消耗地震能量于一体。一般适用于高层、大跨度建筑等抗震要求高的支座。

图1 层叠橡胶支座

图2 塑料夹层纤维橡胶支座

图3 高阻尼橡胶

5 不同层叠角度隔震

5.1 上下表面有转角的橡胶支座

对于大跨度建筑，风荷载与地震力影响着支座的转动。变形后的橡胶支座对水平地震力的抵抗减弱。而Haringx理论适用于预测支座的力学性能变化。但没有考虑支座上下端部转角的变化影响。徐忠根等提出小剪应变时，无初始转角水平刚度随剪应变的增大而减小，并且竖向压力对水平刚度不太影响。有初始转角的水平刚度随剪应变的增加而变大，剪应变在超过75%的幅度时，水平刚度逐渐减小。

5.2 斜向滑动摩擦橡胶支座

目前研究的隔震支座大部分是针对水平位移响应，对于竖向动力分析的研究却是很少，2008年汶川地震中站台仪监测的水平加速度比竖向加速度小很多，因此对于竖向地震加速度分析是有必要的。许浩等提出了斜向三维隔震支座，针对竖向的地震位移响应，用摩擦滑动支座来回移动，提高竖向性能。经过试验得到了图4的剪切，压缩，摩擦滑动等性能模型。对于滞回曲线的形状，因为存在摩擦力，会形成非线性的四边形。

图4 支座各力学模型

6 组合型隔震

6.1 环形钢丝绳-叠层橡胶支座

地震发生的场地烈度和具体位置是未知的，特别在某一地震波来临时，隔震支座的定位方向不能够抵抗强烈的水平地震力。Xiuting Sun研究的隔震装置，通过改变频率与振幅参数，实现三向的振动控制。万信华等提出将钢丝绳紧箍层叠橡胶，形成环向抗震的组合支座，当拉伸到局极限位置时，水平刚度发生“硬化”现象。

6.2 滑板与橡胶并联支座

组合隔震用到的材料有水平橡胶层，消能的弹簧，还有附加的阻尼器等，许多三维组合隔震支座，考虑了竖向隔震的阻尼，但没有考虑附加的竖向刚度，竖向动力响应大的支座，容易造成分离。赵亚敏等提出了碟形弹簧和铅芯橡胶组合的支座，对水平和竖向的耗能效果好。

7 结语

建筑结构底部的隔震支座研究，在不断的发展与进步，目前解决的问题，是基于满足现阶段的要求或者还未发现新的领域研究，因此，未来的技术工作还有待进一步研究。比如隔震支座永久性材料研究，支座使用周期的定性，铅芯使用后的回收利用，在不同地震波的作用下，最优隔震支座的选取，并且如何捕捉到实时地震波，研究类似场地地震波。未来的隔震设计，不仅局限于橡胶，铅芯，弹簧等材料组合，需要寻找造价低，组装便捷，高阻尼，高强度的支座材料。

[1]杨巧荣，饶聪，何文福，刘文光.超高应力隔震组合支座的基本力学性能研究[J].世界地震工程，2017，33（01）：158～165.

[2]王维，李爱群，秦焰宏，代云焜.碟形弹簧复合隔震支座力学性能试验与数值模拟研究[J].建筑结构学报，2018（05）：99～105.

[3]Gyung Ju Kang，Beom Soo Kang，Dynamic analysis of fiber-reinforced elastomeric isolation structures[J].Mechanical Science and Technology，2009，Vol.23（4），pp.1132～1141.

[4]Sung Hoon Ha，Min-Sang Seong，Seung-Bok Choi.Design and vibration control of military vehicle suspension system using magnetorheological damper and disc spring[J].Smart Materials and Structures，2013，22（6）.

[5]Alias Bin Othman.Property profile of a laminated rubber bearing[J].Polymer Testing，2001，20（2）.

[6]Jian Xu，Xiuting Sun.A multi-directional vibration isolator based on Quasi-Zero-Stiffness structure and time-delayed active control[J].International Journal of Mechanical Sciences，2015，100.

[7]李旭东，鞠洪海.隔震橡胶支座力学性能研究综述[J].山西建筑，2007（02）：86～87.

[8]林达文，彭立群，刘立峰，王 进.隔震橡胶支座力学性能试验研究[J].铁道建筑，2014（02）：30～32.

[9]徐永秋，刘文光.厚层橡胶隔震支座的竖向力学性能与试验分析[J].浙江建筑，2008（06）：30～32.

[10]许浩，刘文光，何文福，程颖，冯祎鑫.斜向滑动摩擦三维隔震装置的滞回模型及其隔震效果[J].建筑结构学报，2017，38（10）：123～130.

[11]徐忠根，朱祥盛，邓长根.上下表面有相对转动的橡胶隔震支座水平力学性能研究[J].水利与建筑工程学报，2017，15（02）：16～20+70.

[12]谭平，徐凯，王斌，周福霖.基于新型简易隔震支座的村镇建筑隔震性能研究[J].土木工程学报，2013，46（05）：64～70.

[13]万信华，侯辉，万维东，熊世树.环形钢丝绳-叠层橡胶复合减隔震支座力学性能研究[J].武汉理工大学学报，2016，38（05）：64～69.

[14]赵亚敏，苏经宇，陆鸣.组合式三维隔震支座力学性能试验研究[J].工程抗震与加固改造，2010，32（01）：57～62+69.