新型低模量超高阻尼橡膠支座在建筑結構中的應用研究

資道銘　靳建楠　莫曲浪

新型低模量超高阻尼橡膠支座在建筑結構中的應用研究

資道銘靳建楠莫曲浪

資道銘，男，高級工程師，柳州東方工程橡膠制品有限公司總工程師。2000年開始長期對減隔震技術及相關產品進行研究，獲省部級科技發明二等獎一次，科技進步二等獎兩次，三等獎一次。主持編制了兩部交通部行業標準——《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》《橋梁超高阻尼隔震橡膠支座》。申報并獲得發明專利七項，實用新型專利八項。

地震災害帶來的結構安全危脅是一個非常特殊的安全因素，它具有不可預知、無法避免，且破壞嚴重和時效長等特點。近幾十年來，世界發生了一系列災難性大地震，如1995年的日本阪神大地震、2004年的印尼蘇門達臘地震、2008年的5?12汶川大地震、2011年的3?11東日本海大地震，均對大量建筑和橋梁結構造成了毀滅性破壞，給災區帶來了巨大的災難。

長期以來，結構師們在努力尋找能夠抵御地震對工程結構破壞的方法，而減隔震技術是目前被公認最有效的方法之一，在國外早已得到廣泛使用，不少已經經受了實際地震的考驗。周福霖院士認為，“隔震減震技術是40年來地震工程最重要的成果”。

傳統抗震設計方法是依靠增加結構自身的強度和剛度來抵抗地震。盡管通過加大截面尺寸、加大配筋和選擇塑性鉸位置等可以確保結構的整體性，防止結構倒塌，但無法避免結構構件的損傷，尤其是室內設備、家具等的傾倒、損壞甚至造成人員傷亡。而且，使用傳統的抗震方法，由于加大結構剛度，會導致更多的地震能量從地面傳遞給結構（見圖1），形成惡性循環。

建筑隔震主要是通過在建筑基礎或下部結構與上部結構之間設置水平剛度較小的隔震裝置（見圖1），來延長結構的自振周期，減小上部結構的地震反應。地震時，結構的水平變形主要集中在隔震層，上部結構變形減小，同時利用隔震裝置的阻尼來消耗地震能量，控制結構的地震位移，保證結構的安全。

道路橋梁是震后搶險抗災通道的咽喉，其抗震能力的重要性不言而喻。2008年汶川地震后，我國交通部頒布了新的公路橋梁抗震標準《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008），與舊版橋梁抗震規范《公路工程抗震設計規范》（TJ 004-89）相比，增加了減隔震設計相關內容；2011年，住建部又頒布了《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011），使新的橋梁抗震思路與方法在國內的應用有了法律依據。對于建筑結構，由于其單位面積人口密度大，結構安全也倍受重視，早在2001版的《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2001）便提出了減震隔震設計技術的應用。

為使隔震結構在地震中的安全得以保證，研究開發出性能穩定、質量可靠、便于安裝維護又造價可控的減隔震裝置，是重要的環節。在橋梁領域，鉛芯隔震橡膠支座、超高阻尼橡膠支座作為優異的隔震裝置，均已得到廣泛應用，并且針對這兩類隔震裝置，交通部分別在2012年、2014年頒布了《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T 822-2011）和《橋梁超高阻尼隔震橡膠支座》（JT/T 928-2014）。而在建筑領域，雖然2006年頒布的國家隔震支座標準《橡膠支座第3部分：建筑隔震橡膠支座》（GB 20688.3—2006）中已經包含了鉛芯隔震橡膠支座與超高阻尼橡膠支座，但目前國內還一直無法開發出可用于建筑結構隔震的超高阻尼橡膠支座，因此建筑中使用的隔震裝置幾乎均是鉛芯隔震橡膠支座。

圖1　非隔震結構與隔震結構地震響應示意

圖2　無鉛型隔震橡膠支座結構

圖3　鉛芯隔震橡膠支座結構

低模量超高阻尼橡膠支座介紹及性能研究

隔震支座按主要材料的不同可分為：金屬類隔震支座和橡膠類隔震支座。金屬類隔震支座一般用于特大承載力要求的工程結構，而橡膠類隔震支座一般用于中小承載力要求的結構。建筑結構所需的支座承載力一般不大。因此，最適于使用橡膠類隔震裝置。

橡膠類隔震支座的分類及結構

在工程結構上使用的橡膠隔震支座主要有以下幾類：

1） 無鉛型隔震橡膠支座

無鉛型隔震橡膠支座是用天然橡膠與鋼板疊層硫化粘結而成（見圖2）。它在水平方向具有彈性性能，不具備顯著的阻尼特性，其阻尼比為5%左右。在結構動力分析中，采用線彈性恢復力模型，不考慮其阻尼耗能。

2） 鉛芯隔震橡膠支座

鉛芯隔震橡膠支座由橡膠層、鋼板疊層粘結再灌入鉛芯棒組合而成（見圖3）。鋼板提高支座豎向剛度，使之能有效地支承上部結構；橡膠層賦予支座高彈性變形及復位和承載的功能；鉛金屬的“再結晶”性能，使得鉛芯棒在支座發生剪切變形時會被擠壓變形、剪斷，而后又慢慢結晶，該過程中會消耗大量能量，從而增大支座阻尼。因此，鉛芯隔震橡膠支座具有較高的承載性，較大的阻尼，大水平位移能力和復位功能。

3）超高阻尼疊 層橡膠隔震支座（HDR，SHDR）

超高阻尼疊層橡膠隔震支座在結構上與無鉛型隔震橡膠支座一樣，但其橡膠采用特殊材料，例如在橡膠內混合某些高分子聚合材料，調節和改變了材料的阻尼性能，使支座在發生快速水平剪切變形時消耗較大能量。普通高阻尼橡膠支座的阻尼比在12%以上，而超高阻尼橡膠支座的阻尼比可以達到18%以上。超高阻尼疊層橡膠隔震支座兼有隔震裝置和阻尼器的作用，在隔震系統中可獨立使用。

橡膠類隔震支座的性能研究

水平剪切性 能是隔震支座最重要的指標。幾類隔震橡膠支座典型的滯回曲線見圖4～圖7。

由圖4至圖7可以明顯看出，超高阻尼橡膠支座比高阻尼橡膠支座的滯回曲線更飽滿，阻尼比更高，耗能能力更強，因此對鉛芯橡膠支座的替代性也更強。當然，其生產工藝及其技術要求也更高。

對于隔震支座，水平剪切性能還受許多因素的影響。因此，必須考慮其相關穩定性能試驗的研究。柳州東方工程橡膠制品有限公司（OVM）資道銘等已經對幾種不同的隔震橡膠支座相關穩定性試驗（包括壓力穩定性、溫度穩定性、頻率穩定性、水平疲勞穩定性）結果進行了公布。

鉛芯隔震橡膠支座是性能非常優異的隔震產品，具有豎向承載能力高，水平剛度低，耗能能力強且結構簡單、性能可靠等特點，在建筑中被大規模使用，是最重要的隔震裝置。但它使用了重金屬鉛，鉛會對人體健康造成極大損害，并可能嚴重污染土壤。在日益重視環境保護的當今，它的使用將會越來越受局限。雖然在鉛芯橡膠支座中，鉛被密封在內部，正常使用時不會產生環保問題，但在煉鉛過程中會產生污染，間接地污染了環境；另外，若隔震建筑拆遷或隔震裝置更換時，忽略了鉛的回收處理，將可能對環境產生災難性污染。隨著經濟的發展，國家對環保愈加重視，要求日益嚴格，使用更加環保的新型隔震裝置是大勢所趨。

圖4　天然疊層橡膠支座的滯回曲線

圖5　鉛芯隔震橡膠支座的滯回曲線

圖6　高阻尼橡膠支座典型滯回曲線（HDR）

圖7　超高阻尼橡膠支座典型滯回曲線（SHDR）

建筑和橋梁所使用的隔震橡膠支座在性能上有較大區別。建筑隔震橡膠支座需要承受比橋梁更集中的豎向荷載，豎向變形要求小，無轉角要求，因此在設計時其豎向剛度相對要大很多。而在水平方向，其水平剛度的要求又較橋梁隔震橡膠支座小很多，即建筑隔震橡膠支座的橡膠彈性模量值要比橋梁低很多。一般情況下，橋梁隔震橡膠支座的橡膠彈性模量為0.8 MPa～1.2 MPa，而建筑為0.4 MPa～0.6 MPa。鉛芯隔震橡膠支座主要由鉛棒耗能，使用的橡膠一般是純天然橡膠，因此其橡膠模量變化的配方研制相對簡單；而超高阻尼橡膠支座的耗能是由橡膠本身提供，在橡膠材料的選取上要進行考究，并在橡膠配方中添加特殊材料，以提高橡膠的阻尼性能。但通過添加特殊材料增加橡膠阻尼性能的同時，橡膠的模量會大幅增加。因此，研發可用于建筑結構隔震的低模量超高阻尼橡膠支座，其難度遠高于橋梁超高阻尼支座。

柳州東方工程橡膠制品有限公司（OVM）繼早期對橋梁鉛芯隔震橡膠支座、超高阻尼隔震橡膠支座的深入、系統研究與開發，并大規模推廣應用之后，現又成功研究開發出國內領先的低模量超高阻尼橡膠支座（見圖8），其模量低，在0.5 MPa左右；阻尼比高，達到18%以上，突破了低模量與高阻尼成反相關特性的限制。在國家標準中，最高級別S－A類建筑隔震橡膠支座的極限剪應變能力要求達到350%，而低模量超高阻尼橡膠支座極限剪應變可達到460%，遠超標準要求（見圖9）。為環保、低模量、高耗能及大變形能力隔震橡膠支座在建筑上的應用提供了技術保障。

低模量超高阻尼橡膠材料經過改性后，具有更好的耐老化性能，能提高支座的使用壽命。由于高阻尼材料的特殊性，支座在100%剪應變時，具有高阻尼比，低支座屈服力、低水平剛度值，利于隔震分析時對減震系數的控制；而在250%剪應變時，由于其“硬化”現象，會因力值增加變快而產生曲線上翹的情況，即支座的等效剛度會變大（見圖10），有益于大震時對建筑位移的控制。而鉛芯橡膠支座在250%剪應變時則不會產生硬化現象（見圖11）。

圖8　JZSHDR600x173試驗滯回曲線（100%剪應變）

圖9　JZSHDR600x173極限試驗滯回曲線（460%剪應變）

圖10　低模量超高阻尼橡膠支座250%剪應變滯回曲線

圖11　鉛芯橡膠支座250%剪應變滯回曲線

低模量超高阻尼橡膠支座替代鉛芯橡膠支座分析探討

為研究低模量超高阻尼橡膠支座用于建筑隔震設計的有效性，我們將其與使用鉛芯橡膠支座的方案進行分析對比。一是分析低模量超高阻尼橡膠支座用于隔震建筑的可行性；二是看兩類隔震橡膠支座用于建筑隔震設計哪種方案更優，以及低模量超高阻尼橡膠支座是否可以完全替代鉛芯橡膠支座。

工程概況

某學校項目為多塔樓框架結構，根據結構縫將結構分成6個單塔結構，分別進行隔震效果分析，C塔樓地上7層，A、D、E、F塔樓地上均為5層，B塔樓地上2層，A、B、C塔樓有一層地下室，層高3.9 m，隔震層設于地下室與首層之間，隔震層高1.5 m，地上首層層高4.2 m，其他層高多為3.9 m。建筑總高度為32.4 m。地下室設有配電房及消防水池，地上部分為學校主體建筑。

建筑類別為乙類，結構設計使用年限為50年，本地區抗震設防烈度為Ⅷ度（0.20 g），場地類別為Ⅲ類，設計基本地震分組為第一組，場地為對建筑抗震一般地段。基本風壓按50年一遇的基本風壓采用，取ω=0.45 kN/m2，地面粗糙度B類。

圖12　抗震結構三維模型圖

圖13　多塔模塊編號

圖14　隔震層上支墩及下支墩平面布置圖

圖15　支座布置圖（方案1）

圖16　支座布置圖（方案2）

圖17　支座布置圖（方案3）

支座布置及統計

因本文只做抗震及不同支座類別的分析對比，為簡化篇幅，選取D模塊進行分析研究。由于鉛芯橡膠支座有比較大的屈服力和初始剛度，建筑結構在使用其做隔震設計時，為了調配隔震建筑的水平剛度，以確保在設防烈度地震分析時減震系數達到需求，隔震層一般還需配置一定數量的無鉛型隔震橡膠支座。為便于比較，我們將分析結構分為傳統的非隔震結構及隔震結構，而隔震結構的隔震層設計為三個方案，分別為：超高阻尼橡膠支座布置（方案1）、鉛芯橡膠支座與無鉛型橡膠支座組合布置（方案2）、鉛芯橡膠支座布置（方案3）。

各方案的支座布置示意圖見圖15—圖17，支座數量統計及各支座性能參數分別見表1、表2。表3為隔震層偏心率結果，在選擇、布置隔震支座時，應盡量使隔震層重心與其剛度重心重合或接近，如表3所示，結構兩個方向最大偏心率均小于3%，隔震支座布局合理。

表1　D模塊3個方案支座型號與數量統計

表2　建筑隔震橡膠支座參數

表3　結構偏心率計算

D模塊結構模型隔震效果

（1）周期對比

非隔震模型的周期、隔震后的周期及周期放大系數如表4所示。隔震前，對比SATWE和ETABS計算結果，周期誤差很小；隔震后，三個方案均放大到原周期的3倍以上，其中方案1放大倍數最大。

（2）地震波

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010，以下簡稱《抗規》）5.1.2條規定：本工程選取了5條天然波和2條人工模擬加速度時程，進行時程分析，7組時程的平均值與振型分解反應譜法的地震影響系數曲線在統計意義上相符。彈性時程分析時，每條時程計算的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

表4　結構周期對比

根據《抗規》3.10.3條及12.2.2條，本工程計算分析時設防地震峰值加速度取200gal，罕遇地震峰值加速度取400gal。本工程所選天然波來自美國太平洋地震工程研究中心（PEER）數據庫。

規范譜與反應譜對比圖如圖18所示，各地震波反應譜曲線與規范譜在前3階周期處相差±20%以內，7條反應譜曲線平均值與規范譜吻合較好；基底剪力對比結果如表5所示，地震波在兩個方向基底剪力最小值與最大值分別為反應譜計算結果的69%和92%，且7條時程曲線平均基底剪力均＜120%，并＞80%，滿足規范要求，可以用于工程設計。

圖18　規范譜與反應譜對比圖

表5　非隔震結構基底剪力（Ⅷ度設防地震，即各地震波峰值為200gal）

表6　X方向結構非隔震與隔震下各層剪力（KN）

（3）結構減震系數

表6為設防地震作用下時程分析得出非隔震結構與隔震結構層剪力，及隔震結構水平向減震系數，表中各層剪力為7條時程波的平均值。

在方案2中，鉛芯橡膠隔震支座與橡膠隔震支座組合布置時，因可以使用無鉛型橡膠支座對隔震層剛度進行調整，為便于比較，調整支座布置使其減震系數與方案1盡量接近。從表6中可以看出，方案1與方案2各樓層的減震系數都很接近，即從層剪力來看，方案1與方案2隔震效果接近；而在方案3中，由于全部是鉛芯橡膠支座，其隔震層剛度比方案1的要大，方案1樓層剪力略小于方案3，即從層剪力來看，方案1較方案3隔震效果更好。

（4）罕遇烈度隔震層位移

罕遇地震烈度作用時隔震層最大水平位移如表7所示，最大位移取7條時程波支座最大位移的平均值。

圖19　X方向樓層剪力圖

圖20　Y方向樓層剪力圖

表7　罕遇地震作用時結構隔震層最大層間位移（mm）

設計的方案1減震系數明顯小于方案3時，兩方案隔震層位移接近；而方案1與方案2減震系數相近時，方案1隔震層的位移更小。即低模量超高阻尼橡膠支座作為隔震層，綜合了分別全部采用鉛芯隔震橡膠支座與部分采用鉛芯橡膠支座組合無鉛芯橡膠支座使用的兩種方式的優勢。

結論及建議

1）工程結構減隔震技術在國內已經被廣泛接受，橡膠類隔震支座結構簡單易安裝，抗震效果顯著，其作為重要隔震裝置已被業內認可，鉛芯橡膠支座已大量應用于減隔震建筑結構。隨著隔震建筑的日趨增多，鉛芯隔震橡膠支座的用量越來越大，然而其中所使用的重金屬鉛對環境的潛在危害不容忽視；

2）低模量超高阻尼橡膠支座結構簡單，性能可靠，極限變形能力強，更環保，可完全替代鉛芯橡膠支座用于建筑隔震。其在小應變情況下（100%剪應變），屈服力小、水平剛度低，阻尼比高；而大變形（250%剪應變）時產生翹尾現象，水平等效剛度增大。這種特性使其既在中震時滿足減震的需要，大震時又能更好地控制結構地震位移。低模量超高阻尼橡膠支座用在建筑隔震層，支座類型統一，剛度分布更均勻，可以提供足夠的初始剛度保證結構在風荷載、較小地震或其他非地震水平荷載作用下的穩定性。作為替代方案，其效果更優于全部使用鉛芯隔震橡膠支座或使用鉛芯橡膠支座與無芯型橡膠支座組合的方案；

3）低模量超高阻尼橡膠支座具有更好的耐老化性能，使用壽命更長，而其產品價格卻與同類型鉛芯隔震橡膠支座幾乎相當，因此具有更高的性價比；

4）保護環境，造福人類。使用更環保的低模量超高阻尼橡膠支座，應該是工程設計者需要考慮的問題，也是大勢所趨。