國內外基礎滑移隔震研究與應用現狀綜述

吳延輝 李玉榮 陳翠翠

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001)

0 引言

所謂隔震，就是在建筑上部結構與下部結構之間加設隔震層的抗震方法，其將地震作用下結構的變形集中于隔震層，有效避開地震卓越周期，隔斷地震能量直接向上部結構傳遞，并且通過塑性變形和阻尼耗散能量。有效降低上部結構最大加速度和層間位移，大大降低地震響應，使建筑物即使在超設防烈度地震作用下，依然有足夠安全儲備保障人們的生命財產安全。按隔震層構造不同主要可分為疊層橡膠墊隔震和滑移隔震。滑移隔震由于施工簡單、取材容易、造價低廉、性價比高，特別適合我國國情［1］。

1 滑移隔震結構研究現狀

滑移隔震結構自1881年由日本學者河合浩藏提出以來，歷經美國、日本、中國、新西蘭、法國等多國學者研究創新，現已日趨完善。研究工作主要集中于滑移隔震裝置和計算理論分析兩個方面。

1．1 基礎滑移隔震裝置

滑移隔震裝置作為結構實現滑移隔震最關鍵的部分，主要由兩部分組成:滑移支承材料和限位消能元件。

1．1．1 滑移隔震支承元件

滑移隔震材料主要有:砂墊層(精選砂礫)、石墨墊層(石墨泥膏)、鋼珠、聚四氟乙烯、石蠟、滑石粉、不銹鋼板、帶二硫化鉬涂層的鋼板、云母等。國內外專家學者對滑移材料的隔震性能進行了大量的研究。在這方面的研究，一方面是隔震材料在不同參數影響下的隔震效果;另一方面是研究新型滑移隔震支承元件。國內學者對砂墊層和石墨研究較多，國外學者Constantinous［2］研究了聚四氟乙烯在基礎滑移隔震結構中的隔震性能，通過試驗得出結論，摩擦系數與滑移位移無關，與滑移速度有關，且滑動前后有突變。Ismail［3］研究了一種新型隔震裝置(Roll-N-Cage，RNC)，集隔震、耗能、緩沖和復位裝置于一體，同時還具有抗風、抗傾覆的功能，如圖1所示。尚守平［4］研究一種新型滑移隔震裝置，具有施工簡單、便于維護保養、性能穩定、性價比高的特點，并通過模型振動臺試驗得出其減震效果可達到40%～60%，這種隔震裝置適合我國農村實際情況。對于支承元件長期使用后的材料老化問題和固結問題，以及反復循環的耐久性問題、耐腐蝕問題，尚沒有可靠數據加以分析。

圖1 套筒式滑移隔震支座（一）

1．1．2 限位消能元件

限位消能元件主要有:疊層橡膠墊、鋼彈簧、U形鋼片、柔性鋼棒、碟形彈簧、鋼螺旋彈簧［5］。國內外專家學者對新型限位消能元件進行了大量研究。韓淼等［5］在研究限位裝置與耗能裝置的基礎上研究了一種新型混合限位消能裝置，如圖2所示。振動臺試驗表明，此裝置具有良好的限位功能，能有效降低殘余位移，而且還有很好的耗能作用。文獻［6］綜合介紹耗能裝置在日本的研究成果，包括能量吸收性能、變形能力、最大抵抗力、耐久性溫度相關性、密度相關性、極限性能，值得參考。限位消能裝置在設計過程中要注意到以下問題:工程造價、變形性能、復位能力、耗能性能、耐久性、產品質量偏差等問題。為解決以上問題，需要適合批量化、標準化、規范化生產的新型隔震裝置。

圖2 套筒式滑移隔震支座（二）

1．2 基礎滑移隔震系統與模型

基礎摩擦滑移隔震系統主要有摩擦基底隔震系統(FPS)、法國電力基底摩擦滑移隔震系統(EDF)、彈性恢復力—摩擦滑移隔震系統(R-FBI)、滑移摩擦力—摩擦隔震系統(SR-F)等。摩擦基底隔震系統(FPS)在1986年由Zayas［7］提出，通過摩擦耗能減少地震能量向上部結構傳遞，降低上部結構地震響應。經過完善，與彈性復位裝置并聯和并聯分別形成EDF系統、R-FBI系統，兩者組合應用又形成了SR-F系統。周錫元等對摩擦滑移隔震結構的串并聯體系進行了分析對比，探討了兩種體系地震反應的基本特征，給出了參數搭配和優化設計的原則，為砌體結構隔震設計提供了可靠參考依據。

基礎滑移隔震模型主要有剛體模型、單自由度等代體模型、二自由度等代體模型、多自由度等代體模型等。為了提高模型模擬精度，簡化計算方法，國內外學者進行了大量的探究探索。毛利軍，李愛群［8］根據振型分解理論探討了滑移隔震結構雙自由度簡化模型分析參數質量比的取值，給出了質量比在統計意義上的最優值，為建立精度更高的雙自由度簡化模型提供了參考。文獻［9］提出了連續的指數模型來描述摩擦力，既能反映摩擦力特性，又能簡化計算機程序的編制。摩擦力的具體表達式為:

N——摩擦表接觸面的正壓力;

a，b，d——正常數，由實驗確定;

α——大數，一般大于100;

tanh(·)——雙曲正切函數。

1．3 基礎滑移隔震計算分析理論研究

自隔震理論在20世紀70年代以被動控制理論出現并被學術界普遍認可至今的40多年里，為實現滑移隔震技術的實際應用，國內外學者進行了大量計算分析理論研究和探索。國內外學者對滑移隔震結構的滑移量、時程響應、抗傾覆、多維地震力耦合作用等方向進行了深入研究。熊仲明等根據隔震體系的匹配關系及滑移量的測定實驗得出了一種簡化計算基底最大滑移位移量的計算方法，并通過試驗值與計算值的對比說明了此方法的可行性。Jangid R S研究了滑移隔震結構在雙向水平地面諧波同時作用下的時程響應，用Newmark迭代法以增量的形式解出滑移隔震結構在雙向地震耦合作用下的運動微分方程，通過計算單向水平作用進行比較，認為用雙向耦合地震作用更準確而且是很重要的。李黎等［10］通過動力時程分析研究了不同地震烈度、不同結構基本周期、不同場地類別及復位向心結構對滑移位移的影響。

2 滑移隔震結構發展展望

滑移隔震自出現至今，雖說理論研究方面取得了很多成果，但實現推廣普及還面臨一些關鍵性問題需要解決。

2．1 新型滑移隔震裝置

普遍應用的滑移隔震支座，如砂墊層、石墨墊層、聚四氟乙烯等等，大都存在復位功能的缺點，而與疊層橡膠墊、阻尼器配合使用，雖說能控制位移，但是存在造價較高，配合比難控制、施工復雜的缺點，而且豎向地震作用不能降低。

2．2 隔震研究領域的拓展

目前，滑移隔震主要應用于砌體與框架結構、生命線工程、橋梁工程、大型儲存容器的抗震設計。應用領域還沒有發散，其優良的防震減災性能還沒有被完全開發。將來，可以研究其在壩體工程、海洋工程、通信基站以及非構筑物的建設中的應用，使其能滿足特定工作環境、新型領域的要求。

2．3 規范化與標準化

GB 50011-2010建筑抗震設計規范中“隔震和消能減震設計”一章介紹了隔震設計的一般規定、設計要點、構造措施要求等，但是對滑移隔震的施工、維護以及產品標準與驗收標準，沒有明確說明。參照既有傳統抗震規范，完善滑移隔震規范，促進隔震支座標準化和批量化生產，降低造價，實現推廣普及。

3 結語

隨著經濟發展和城市化進程加速，人口密度呈膨脹性加大，要想保證人的生命和財產安全，當地震發生時，建筑物僅僅滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”是遠遠不夠的。傳統的依靠增加結構自身強度、變形能力的抗震設計方法已經不能滿足社會的需要。滑移隔震技術作為一種經濟、實用、安全、有效的減震方法，應該被重視，被大力地推廣普及。

［1] 周福霖．工程結構減震控制［M］．北京:地震出版社，1997．

［2] Constantinous M C，Mokha A，Reinhorn A M．Teflon bearings in base isolation［J］．Journal of Structural Engineering，ASCE，1990，116(2):438-474．

［3] Ismail M，Rodellar J．An innovative isolation device for aseismic design［J］．Engineering Strubtures，2010(32):1168-1183．

［4] 尚守平，劉 可，周志錦．農村民居隔震技術［J］．施工技術，2009，38(2):97-99．

［5] 韓 淼，李仙華，伍大維，等．U型組合限位器自復位性能實驗研究［J］．世界地震工程，2006，22(2):110-113．

［6] 日本建筑學會．隔震結構設計［M］．劉文光，譯．北京:地震出版社，2006．

［7] Al-Hussaini TM，Zayas VA．Seismic isolation of a multi-story frame structure using spherical sliding isolation systems．Technical report．NCEER-94-0007．Buffalo(NY):National Center of Earthquake Engineering Research，1994．

［8] 毛利軍，李愛群．多層滑移隔震建筑結構的簡化模型及其分析精度［J］．建筑結構學報，2005，26(2):117-123．

［9] 樊 劍，唐家祥．滑移隔震結構的動力反應及地震反應［J］．土木工程學報，2000，33(1):11-16．

［10] 李 黎，樊愛武，孫紅虎．滑移隔震結構滑移位移的數值研究［J］．工程抗震與加固再造，2004(6):30-34．