【隔震专题二】隔震层_【中大技术】

隔震支座、阻尼装置、抗风装置、限位装置以及其他附属装置组成隔震结构的隔震层...

隔震层是指设置在被隔震的上部结构与下部结构(或基础)之间的全部隔震装置的总称，包括隔震支座、阻尼装置、抗风装置、限位装置以及其他附属装置。

我公司承接的新西兰使馆项目，在相对标高1.65米处设置隔震层（消防水池处的四个支座为相对标高-1.2米），利用叠层橡胶隔震支座（见图1）和滑动支座（见图2）将建筑物结构上下分为两个部分，共计50个支座，其中有32个叠层橡胶支座，18个滑动支座。

图1 新西兰项目叠层橡胶隔震支座

图2 新西兰项目滑动支座

以下对隔震系统中的隔震支座和阻尼装置进行介绍

一、隔震器

目前实际应用的隔震装置有三大类，即叠层橡胶支座，摩擦滑移隔震元件，以及滚动摆、滚珠、滚轴元件；此外，可利用柔性柱等元件来达到隔震的目的。其中叠层橡胶支座应用最多，迄今90％以上的隔震房屋用该元件。

1．叠层橡胶支座

叠层橡胶支座的构造如图3所示，它是由钢板与橡胶叠合而成，橡胶与钢板之间用胶黏结，中间的橡胶及钢板的厚度每层仅几毫米。由于这样的构造，使得叠层橡胶支座的竖向承载力很大，而在水平向可以有较大变形。支座的上下封板相对较厚，内有螺栓孔，封板与连接钢板之间用内六角螺栓连接，连接钢板再通过固定螺栓孔与建筑构件相连。

图3 铅芯叠层橡胶支座的构造

此外，支座中心设置铅芯的用来提供阻尼的这种支座称为铅芯叠层橡胶支座。不加铅芯的称为普通型叠层橡胶支座。另外，在橡胶中添加碳使橡胶黏性增加，从而使普通型叠层橡胶支座也具有较高的阻尼。这样的支座称为高阻尼叠层橡胶支座。所以，叠层橡胶支座有三种类型：普通型叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座和高阻尼叠层橡胶支座，后两者均可提供阻尼。目前国内设计及生产的叠层橡胶支座以普通型及铅芯型为主，高阻尼叠层橡胶支座应用较少。

2．摩擦滑移隔震元件

摩擦滑移隔震元件主要由一些摩擦系数较小的材料构成，例如，石墨、云母、砂粒层、聚四氟乙烯板以及带二硫化钼涂层的钢板等。其中石墨、砂粒等材料是我国学者李立提出的，作为改善农村住房抗震性能的一种简单有效的方法。用砂粒层隔震的方法在云南省修建了4栋16㎡的平房。精选冲洗干净的、直径为1.0～1.2mm的砂子，设置在承重墙和基础之间，并在墙体和基础上增加了水磨石面，使砂粒可以更好地滑动。但砂粒这样的材料承载能力有限，不能用于较高的建筑。

目前常用的滑动支座有两种：不锈钢表面加聚四氟乙烯(PTFE)支座的刚性滑动支座(见图4)和橡胶与钢板相互交叉层叠而成，底部为PTFE的弹性滑动支座，如图5所示。

图4 PTFE刚性滑动支座示意图

图5 PTFE弹性滑动支座示意图

3．滚动摆、滚珠、滚轴等元件

滚动摆、滚珠、滚轴等元件主要由滚子和滑槽构成，地震作用时，滚子沿滑槽滚动。滑槽限制了滚子的最大位移。若滑槽是弧形的凹槽，在地震动消失后，滚子可沿弧槽回复到原位，因而还具有自动复位的能力，相当于滚珠和弹簧的组合。美国旧金山市上诉法庭的抗震加固采用的就是摩擦摆支座，在支座滑槽与滑块之间加设了摩擦材料，起到阻尼的作用。图6是摩擦摆支座示意图，图7是摩擦摆支座的滑槽的细部，图8所示为一个安装在结构中的摩擦摆支座。

图6摩擦摆支座示意图

图7 摩擦摆支座的滑槽细部图8 摩擦摆支座

日本还提出一种双向滚轴的隔震装置，如图9所示。在两层钢板上分别放置两个正交方向可滚动的滚轴，滑动面呈弧形凹槽，并在滑动面上有一定的限位。

图9 双向滚轴隔震装置

4．柔性柱

日本学者中村提出一种立在套管中的长桩隔震系统，如图10所示。桩顶为铰结点，与阻尼器相连，减小铰的运动，套管与桩之间有一定的间隙，可将结构与土层分开，达到隔离可能发生的地震的作用。根据这一思想，新西兰惠灵顿中心警察局大楼采用长柔性桩隔震，但将可动铰改为弹性支座加铅挤压阻尼器。

（a）整体示意图；（b）A点详图（桩头）；（c）B点详图（桩脚）

对以上几种隔震器作一比较，如表1、表2所示。

表1 各种隔震器的应用比较

表2 几种常用的隔震器的产品性能比较

二、阻尼器

安置在结构上、用来提供运动的阻力、耗散运动能量的特殊装置就称为阻尼器。阻尼器在我们的生活中很常见，例如，汽车的减震器就是一个阻尼器。它的基本构造是一个装了油的活塞，当汽车振动时推动活塞在油里运动，利用液体油在运动中的黏滞特性产生阻尼力。可以用同样的原理制作建筑用的黏滞阻尼器，但考虑到可靠性和耐久性等因素，建筑用的阻尼器构造要复杂得多。除了这种阻尼器外，还可以利用不同材料、不同原理制成其他类型的阻尼器，如利用黏弹性材料的剪切力产生阻尼力，这种阻尼器称为黏弹性阻尼器，再如利用软钢或铅等金属的塑性变形产生阻尼力，这种阻尼器称为金属屈服阻尼器，还有利用固体材料表面的摩擦来制作的阻尼器，称为摩擦阻尼器。目前随着材料科学的发展，利用智能材料制成阻尼器，可随外部激励调整阻尼力大小，称为智能阻尼器。以下对这几种阻尼器一一说明。

1、黏滞阻尼器

图11所示为美国Taylor公司生产的黏滞阻尼器构造示意图，汽缸内装有液压硅油，利用活塞头左右的压力差，使硅油通过小孔和活塞与缸体的空隙，从而产生阻尼力，当硅油过多或过少，控制阀就开启，使硅油从储备室进入或出来。为了保证硅油长期不漏，设计了特殊的密封头。不同的厂家设计的阻尼器构造各不相同。除了硅油外，也可以使用其他黏滞液体，只要能保证液体不可燃，无毒，温度变化时性能稳定及长时间不变质即可。图12所示为美国ENDINE公司生产的黏滞阻尼器。目前国内已有多家厂家开发出建筑用的黏滞阻尼器，并已应用于多项实际工程，图13为宿迁市人防大楼上与叠层橡胶支座配合使用的国产黏滞阻尼器。

图11 黏滞阻尼器构造示意图

图12 美国ENDINE公司生产的黏滞阻尼器

图13 与隔震支座配合使用的粘滞阻尼器

2、黏弹性阻尼器

图14为黏弹性阻尼器的构造示意图，它主要由黏弹性材料和约束钢板组成，连接的钢板再与结构构件相连。

图14 粘弹性阻尼器构造示意图

当结构产生相对位移时，约束钢板与黏弹性材料之间发生剪切变形，从而产生一定的阻尼力。最早的黏弹性阻尼器由美国3M公司研制开发。日前国内也有厂家可生产，图15为常州市兰陵橡胶厂生产的黏弹性阻尼器。图16为黏弹性阻尼器与斜撑配合使用，在建筑物外窗放置。

图 15 常州市兰陵橡胶厂的黏弹性阻尼器

图16 与斜撑配合使用的黏弹性阻尼器

3．金属屈服阻尼器

金属屈服阻尼器的构造类似于连接在基础与上部结构之间的梁。当基础与上部结构之间发生水平向位移，梁会产生弯曲和剪切变形，这些变形可以利用一些金属材料在进入塑性范围后具有良好的滞回性能来承担。目前作为阻尼器的金属材料主要有钢和铅两种。这两种材料都具有很好的延性及耐久性，且价格便宜，高纯度铅在大变形范围内还具有良好的反复塑性变形能力，是比较理想的建筑阻尼器材料。

图17所示为U形铅阻尼器，被设计成U形的铅棒具有良好的弯剪变形能力，在端部铅棒截面增大，用来加强连接部位。铅棒与连接钢板采用合金焊接方法连接成整体，但该方法技术难度较高，所以能生产铅阻尼器的厂家很少．目前在日本仅有一家，国内还没有。钢材是常用的建筑材料，因此制作钢阻尼器不需要特殊的设备，价格也相对较便宜。常见的钢阻尼器有两种形式：一种是钢棒阻尼器，另一种是环状阻尼器。环状阻尼器相当于悬臂梁。悬臂梁必须有足够的长度才能保证既有大的变形又不被破坏，因此考虑到安装要求．把悬臂梁的形式改为圆环形，如图18所示，但单个圆环在不同方向的刚度有差异，实际应用时用多个圆环组合来保证各方向刚度一致，图19显示了两种环形的钢阻尼器。目前在日本的隔震建筑中，钢阻尼器是最常用的阻尼器之一。

图17 U形铅阻尼器图18 环形阻尼器的原理示意图

图19 环形钢阻尼器

4．摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是使两块金属之间产生相对滑动，用金属之间的摩擦力作为阻尼力。用摩擦面的面压可以调节摩擦阻尼器的阻尼力大小，且阻尼力与振动的频率与幅度无关，因此，摩擦阻尼器在反复荷载下的性能较稳定。图20为日本生产的一种摩擦阻尼器。

图20 摩擦阻尼器

5．智能阻尼器

以上几种阻尼器都是阻尼器连接的构件之间发生相对运动时产生阻尼力，这样的阻尼器又称为被动阻尼器。被动阻尼器不需要外部的能源，阻尼器参数基本为固定值，但地震激励是随机的，因此可能会发生这样的情况：即阻尼器在大震时减震的效果很好，却在中震或小震时减震效果不佳。例如。美国旧金山的一栋摩擦滑移隔震建筑，在1906年的旧金山大地震时安然无恙，但在后来的一次中震中被毁坏。因此．学者们提出了参数随外部激励调节的阻尼器，称为智能阻尼器。智能阻尼器有很多种，目前应用于隔震结构的智能阻尼器有磁流变阻尼器和可控摩擦阻尼器两种。

图21 磁流变阻尼器的构造

图21是美国Lord公司研制的出力20吨的磁流变阻尼器，阻尼器中装有磁流变液，它是将细小的可磁化颗粒悬浮在硅油中。当不加电时，液体可随意流动，当加电时，活塞外部的线圈产生磁场，液体中的颗粒被磁化，沿磁场方向排列成链状，

如图22所示，这时液体变成有一定的剪切屈服强度的半固体。活塞在不同剪切屈服强度的液体中运动，产生阻尼力的大小也就不同。当地震作用时，控制系统可根据外部激励的大小对磁流变阻尼器的电流进行控制，从而调节阻尼力大小。图23所示为安装在日本一栋隔震建筑中的磁流变阻尼器。该建筑也是世界上第一栋安装磁流变阻尼器的隔震建筑。