隔震设计简述

1.隔震设计简述1.1隔震设计的规范规定[1]隔震设计指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由...

1.1  隔震设计的规范规定 [1]

隔震设计指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成的具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。

现行抗震规范的抗震目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，采用隔震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区的多遇地震影响、设防地震影响和罕遇地震影响时，可按高于《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第1.0.1条规定的基本设防目标进行设计。

建筑结构隔震设计和消能减震设计确定设计方案时，除应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定外，尚应与采用抗震设计的方案进行对比分析。

1.2  隔震设计原理及隔震支座的发展

建筑隔震就是在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震装置，形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来。地震发生时，地震波由地面传至基础，在向上部建筑物传递时，首先要通过隔震层，这时连接建筑物和基础的隔震层就可以发挥隔震作用，地震波只有一小部分能够通过隔震层传到上部建筑中。如果隔震层中还安装有消能装置，那么隔震层还能耗散掉一部分地震能量，进一步减少地震能量向上部建筑的传送，减少建筑物的地震反应，保护建筑物在地震作用下的安全[2]。

隔震支座的发展，经历了长期的实践、探索的过程，从最初的摩擦滑移支座逐渐发展到了现在的叠层橡胶支座。现在，叠层橡胶支座逐渐成为了隔震结构的主要支座类型。2001年中国工程建设标准化协会颁布了行业标准《叠层橡胶支座隔震技术规程》CECS 126:2001，以及《建筑隔震橡胶支座》产品标准。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010也将隔震建筑列入，为叠层橡胶支座广泛应用提供了技术保障。



图1 叠层橡胶支座实例



图2 叠层橡胶支座剖面图

2.1  叠层橡胶隔震支座分类

叠层橡胶支座是由多层橡胶和多层钢板相互交错叠加而成。制作支座的橡胶采用天然橡胶或者氯丁二烯橡胶。支座制作时一般先把每层钢板上涂上胶粘剂，然后再把钢板和每层橡胶交替叠放，最后要置于高温高压下硫化成型，以增强其耐久性及耐火性。

目前常用的橡胶支座分为两类，一类为普通橡胶支座（不含铅芯），另一类为铅芯橡胶支座。普通橡胶支座本身没有明显的阻尼作用，所以这类支座通常配合阻尼器使用。铅芯橡胶支座因为支座中间加了铅芯，所以支座本身具有阻尼，这种支座既起到隔震作用，又起到阻尼作用，可以在隔震结构中单独使用，不需要另外设置阻尼器。

2.2  叠层橡胶隔震支座性能及参数

《叠层橡胶支座隔震技术规程》对橡胶隔震支座的竖向性能、水平性能、阻尼性能、耐久性和耐火性进行了详细的规定，具体的设计技术参数主要有：形状系数（形状系数又分为第一形状系数、第二形状系数）、竖向刚度、竖向极限压应力、竖向极限拉应力、水平变形、水平刚度、屈服后刚度、等效阻尼比等。其中，第一形状系数、竖向刚度、竖向极限压应力、竖向极限拉应力反映了支座的竖向性能，第二形状系数、水平变形、水平刚度、屈服后刚度、等效阻尼比等反映了橡胶隔震支座的水平性能。

1. 形状系数。

第一形状系数用于控制每层橡胶的厚度，用S1表示，公式如下：

圆形截面： 

矩形截面：

d----- 橡胶层有效承压面的直径；

d0-----橡胶层中心开孔的直径；

tr1---- -钢板间橡胶层的厚度；

a ----- 矩形截面长边尺寸；

b ----- 矩形截面短边尺寸；

每一层橡胶层厚度越小，支座竖向刚度越大。第一形状系数还与尺寸有关，支座越大，第一形状系数越大。《抗震规范》规定，第一形状系数S1≥15。

第二形状系数用以控制橡胶支座的稳定性，用S2表示，公式如下：

圆形截面： 

矩形截面：

tr ----- 隔震支座橡胶层总厚度；

第二形状系数越大，橡胶支座越扁平，稳定性越好。但第二形状系数越大，支座水平刚度也越大，因此第二形状系数既不能很大，也不能很小，取值要合适。《抗震规范》规定，第二形状系数S2≥5。

2. 竖向刚度。

叠层橡胶支座的竖向刚度通过实验确定，由于竖向加载过程中橡胶支座的竖向刚度是变化的，因此竖向刚度取设计应力附近的刚度。

3. 水平变位。

水平变位即隔震层的变形，用隔震支座的剪应变表示：




----- 隔震支座的变形；

tr ----- 隔震支座橡胶层总厚度；

《抗震规范》规定，橡胶支座在竖向平均压应力设计限值下的极限水平变位，应大于其有效直径的0.55倍（0.55d）和橡胶层总厚度3倍两者的较大值。

4. 水平刚度。

叠层橡胶支座的水平刚度也是通过实验确定。实验表明，普通橡胶支座基本为弹性体，可简单用一个水平刚度就可以描述曲线的水平弹性性质。而铅芯橡胶支座滞回曲线饱满，水平刚度不能只用一个刚度值来描述，可按规范规定方法取等效刚度，但等效刚度不止一个，不同剪应变下，等效刚度不同。因此，取等效刚度时，应注明剪应变值的附加条件。普通橡胶隔震支座及铅芯橡胶隔震支座刚度计算参数分别见图1、图2。



图3 普通橡胶隔震支座刚度计算参数



图4 铅芯橡胶隔震支座刚度计算参数

5. 竖向压应力。

（1）竖向极限压应力指橡胶支座在无任何水平变形的情况下，支座可承受的最大压力σmax，《叠层橡胶支座隔震技术规程》CECS 126:2001规定, σmax≥90MPa。

（2）《建筑抗震设计规范》GB50011-2010也规定了支座在重力荷载代表值竖向压应力限值，见下表1。

表1：橡胶隔震支座压应力限值

建筑类别

甲类

建筑

乙类

建筑

丙类

建筑

压应力限值（MPa）

10

12

15

（3）由于抗震规范规定了抗震支座的极限水平变位为其有效直径的0.55倍，为保证橡胶隔震支座在地震作用下的正常工作，规定了支座水平位移为0.55D时的竖向压应力为极限压应力。

6.竖向极限拉应力。

竖向拉应力指支座在轴向力作用下产生的应力，由于受拉承载力是由钢板与橡胶之间很弱的粘结来保证，因此设计时应尽量避免橡胶隔震支座受拉。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定，橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于1MPa。

7.等效粘滞阻尼。

铅芯橡胶隔震支座较普通橡胶隔震支座滞回曲线饱满，振动中消耗的能量也大得多。滞回曲线的这一特性可用阻尼表示，反映阻尼的参数是等效阻尼比ζeq，公式如下：



W------表示滞回环的面积。

其余参数意义见图4。

3. 结语

1. 叠层橡胶隔震支座是隔震结构的关键部件，因此了解其特有性质及相关参数对隔震结构设计意义重大。

2. 由于与橡胶隔震支座相关的规范《叠层橡胶支座隔震技术规程》CECS 126:2001已经严重滞后于现行抗震规范，因此，规范应用时应以现行抗震规范为主。

参考文献：

[1] 黄世敏，王亚勇等. 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[2] 黄世敏，杨沈等. 建筑震害与设计对策[M].北京：中国计划出版社 2009.11

[3] 广州大学、中国建筑科学研究院. 叠层橡胶支座隔震技术规程(CECS126:2001)[M]. 北京： 2001.8

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