淺析建筑結構三維隔震技術

田坤

（廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006）

1 概述

隔震結構是指在建筑物上部結構與基礎之間設置隔震層，延長整個結構體系的自振周期、增大阻尼、減小輸入上部結構的地震作用，達到防震要求。

地震作用是三維的，較大分量的豎向地震，成為結構倒塌的重要誘因。水平隔震通過設置水平隔震層，延長上部結構的周期，減小結構的加速度反應；豎向隔震通過豎向隔震裝置，延長上部結構的周期，使結構的加速度反應減小。

2 三維隔震裝置

三維隔震支座一般分為兩個部分：水平方向隔震的橡膠支座和豎向隔震裝置。水平方向一般采用技術成熟的鉛芯橡膠支座，而三維隔震支座根據豎向隔震裝置主要有以下五種。

2.1 摩擦-彈簧三維復合隔震支座（MTFGZ支座）

在水平隔震方面，采用的是聚四氟乙烯板滑移裝置，在滑移的過程中耗散地震輸入的能量，設置的水平方向彈簧剛度可以調節，來延長結構自振周期，并且還能提供水平恢復力，實現震后結構復位的功能。豎向隔震方面，布置豎向彈簧來調節隔震支座的豎向剛度，選擇合理的豎向剛度來減小結構的豎向地震反應。豎向隔震裝置采用螺旋壓縮彈簧或者碟形彈簧，兩者各有優點。螺旋壓縮彈簧是線性變形，剛度穩定，加工方便，但是承載力和阻尼較小；碟形彈簧的剛度相比較螺旋彈簧較大，可以提供豎向阻尼，呈現一定的滯回性能，但是價格較高，構造比較復雜。

2.2 豎向隔振-水平隔震支座

該支座具有水平隔震、豎向隔振的作用，它由連接板、豎向隔振支座和水平隔震支座構成。水平隔震支座可采用高阻尼橡膠支座、普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座和滑板支座等技術成熟的支座產品，水平剛度小，可以達到水平隔震的作用。豎向隔振裝置可以使用多層橡膠，其豎直剛度小，可以達到豎向隔振的作用。此種三維隔震支座在實際工程中已有應用，對地鐵引起的振動有良好的效果。

2.3 環形彈簧三維隔震抗傾覆支座

下半部分采用環形彈簧來實現豎向隔震，彈簧的外面是特殊設計的圓筒，圓筒的上端部向內延伸一翼緣，上部抗拉橡膠支座下端連接與彈簧直接接觸的圓形小聯結板，當彈簧從受壓回到平衡位置時，圓筒的上部翼緣限制小聯結板與彈簧的豎向位移，使其不再向上移動，起到限位的作用，上部抗拉橡膠支座內的鋼絲繩張緊，起到抗傾覆的作用。

2.4 厚橡膠層三維隔震抗傾覆支座

該支座下部分構件是添加了鋼絲繩的疊層厚橡膠支座，鋼絲繩在初始狀態下是張緊的，當支座受拉時，鋼絲繩與疊層厚橡膠支座共同承受拉力。疊層厚橡膠支座的上下聯結板各焊一個圓筒，兩個圓筒套在一起，起到導向作用，限制疊層厚橡膠支座的水平位移，防止失穩。

2.5 碟形彈簧為豎向隔震支座

2.5.1 3DIB不需額外附加豎向阻尼器的組合式三維隔震支座

由組合式碟形彈簧豎向隔震支座（DSB）和鉛芯橡膠支座兩部分串聯而成。上部分為DSB，采用不同尺寸的多個碟形彈簧柱并聯而成，通過不同尺寸的碟形彈簧搭配和組合，使支座的高度減小，并且豎向剛度又不會太大，碟形彈簧的數量較多，不需要外加阻尼器DSB就會有較高的豎向阻尼，實現豎向隔震。下部串聯鉛芯橡膠支座來實現水平隔震。

2.5.2 SMA三維隔震支座

由疊層橡膠支座、形狀記憶合金（SMA）絞線、碟形彈簧三部分組合而成,在疊層橡膠支座安裝形狀記憶合金絞線，繞過固定在對面鋼板的滑輪，兩端固定于鋼板兩側，當疊層橡膠支座產生水平位移時，形狀記憶合金絞線就會產生變形，提供恢復力和阻尼力。

2.5.3 碟形彈簧三維隔震抗傾覆支座

由上下兩部分串聯而成：上部分是橡膠墊，添加了鋼絲繩使其具有抗拉能力；下部分是碟形彈簧，碟形彈簧外面是導向圓筒。當支座收到拉力時，導向圓筒的向內翼緣阻擋碟形彈簧向上運動，橡膠支座的鋼絲繩起到抗拉的功能，防止結構傾覆。

2.5.4 鉛芯橡膠支座與鉛芯碟形彈簧串聯組成的三維隔震支座

下部采用鉛芯橡膠支座，有適宜的阻尼性能與水平剛度，具有良好的水平隔震效果。上半部分是鉛芯碟形彈簧支座，它是由碟形彈簧串并聯組合，將擠壓鉛阻尼器導筒裝在中心孔上，并且導筒還具有限制鉛芯碟形彈簧水平位移的作用，使它幾乎只存在豎向位移，鉛芯碟形彈簧具有適當的豎向剛度和阻尼，起到豎向隔震作用。這種三維基礎隔震支座具有三向適宜剛度和阻尼性能，并且剛度和阻尼調整方便，加工制作簡單，性能穩定。

2.5.5 采用碟形彈簧的豎向半主動三維隔震裝置

它是由疊層橡膠支座和豎向半主動隔震裝置組合而成。豎向半主動隔震裝置由外套油缸和碟形彈簧組合而成，通過電磁閥控制油缸內油體與外接儲油箱油體之間的油路。當結構未遭受地震或地震時豎向加速度反應未超過限定值時，電磁閥關閉，豎向隔震裝置的豎向剛度很大；當遭受地震使結構的豎向加速度反應超過限定值時，電磁閥開啟，豎向隔震裝置提供較小的豎向剛度，并且還可以提供一定的豎向阻尼，起到豎向隔震的作用。

2.5.6 帶菱形鋼板阻尼器的三維隔震支座

主要由鉛芯橡膠隔震支座、組合碟形彈簧和菱形鋼板耗能阻尼器3部分組成。在組合碟形彈簧中間設置導向軸，并且在導向軸頂端設置抗拉擋板和抗拉螺栓，防止上連接板受到較大拉力時脫離碟形彈簧，菱形鋼板阻尼器的中間通過在螺桿連接在上聯結板，兩端支撐在中間連接板的支撐架上，組合碟形彈簧和菱形鋼板阻尼器兩者組成豎向隔震系統。在豎向隔震系統的下部安裝鉛芯橡膠支座，實現三維隔震。

3 三維隔震結構試驗研究

三維隔震結構的振動臺試驗完成的較少。1984年，Staudacher用天然橡膠塊作為建筑的三維隔震支座進行了振動臺試驗。1996年，Fujita等對橡膠支座和螺旋彈簧組合構成三維隔震系統的模型進行了振動臺試驗。2002年，Kagcyama等對鋼絲加強型空氣彈簧作為三維基礎隔震的1/4.5模型進行了振動臺試驗。2007年，孟慶利等進行了豎向半主動隔震裝置與橡膠隔震支座組合實現三維隔震的模型試驗。2010年，顏學淵等對裝有碟形彈簧三維抗傾覆支座的鋼框架模型進行振動臺試驗。2012年，魏陸順等進行了豎向隔震層與水平隔震層分開布置的模型試驗，取得了良好的效果。

結語

雖然對三維隔震結構進行了一些列的研究，但是仍然存在一些問題：三維隔震裝置的構造太過復雜，使得隔震裝置的造價過高，不利于推廣應用；三維隔震結構的傾覆問題，這直接影響到人民生命財產安全，是要重點解決的的問題；隔震層模型力學參數和設計參數對應的定量化關系尚不明確。這些問題都有待于進一步研究。

[1]魏陸順.三維隔震（振）支座的工程應用與現場測試[J].地震工程與工程振動，2007（27）:121-125.

[2]張永山.三維隔震抗傾覆支座力學性能試驗研究[J].工程力學，2009（26）:267-272.

[3]顏學淵.三維隔震抗傾覆結構振動臺試驗[J].工程力學，2010（27）:91-96.