建筑工程疊層橡膠隔震支座技術的研究

田劍波

【摘要】地震依然是目前世界上能夠造成大量傷亡的地質災害，建筑如何防震一直是建筑研究的一個重要方向。大量的案例證實，采用隔震橡膠支座設計的建筑物一方面能夠提升建筑物結構的可靠性，盡量避免建筑非結構的毀損，從而降低由于室內裝修物體以及各類設備的破壞而導致的次生災害，另一方面這種技術在設計和施工上均較為方便、能夠起到明顯的隔震效果。

【關鍵詞】疊層橡膠支座 隔震 建筑震害

隨著建筑技術的發展，如何能夠使建筑盡量在地震中遭受最小破壞，盡量降低人員傷亡和財產損失，是建筑研究的一個重要方向。地震目前依舊是難以預測和完全避免的自然災害，近年來發生在世界各地的震級較高的地震，均被記載導致了大批人員的傷亡，造成很多建筑破壞毀損。如何能夠使建筑物在地震發生時盡量起到隔震的效果，是一個亟待解決的問題。特別是在多震地區，地震災害頻繁發生，一些公益性建筑采取減震技術設計已經成為一個普遍抗震減災的可行措施。目前在建筑界已經出現了不少相關的技術，其中尤以疊層橡膠支座的隔震技術應用最為廣泛。這種技術能夠在建筑的上部和下部間通過增加合理的隔震層，來達到緩釋強震巨大能量傳導，進而降低建筑物對地震的反應，盡可能避免建筑物在地震中遭受破壞，目前這項技術已經在不少國家取得了越來越多的研究成果。

疊層橡膠隔震支座的技術原理，是為建筑物配置合理的橡膠支座，從而讓建筑物在遭受地震的時候能夠減少自振的頻率，從而降低建筑物上部由于地震而導致的可能的破壞。疊層橡膠隔震支座隔震技術的核心裝置便是橡膠支座，可以僅安裝配置橡膠支座，也可以和阻尼器一起配合，從而使建筑物擁有一個隔震層。疊層橡膠隔震支座在豎直的方向具有很大的承載力，而在水平的方向則剛度不大，所以在水平側能夠允許較大幅度的位移量。這個特點使其一方面能夠盡可能緩解震害在水平方向的破壞，另一方面還可以承受垂直方向的地震破壞，屬于當前很多發達國家均使用的一種有效的隔震模式。

一般情況下，疊層支座是通過鋼板和橡膠板以交替的方式構成，在高溫高壓環境下壓制而成。結合制作材料的不同，可以有三種類別，包括天然橡膠疊層隔震支座、鉛芯疊層隔震支座、以及高阻尼疊層隔震支座。而第一種支座由于缺乏耗能的單元，必須和阻尼器一起安裝，從而擁有必要的彈塑性，起到隔震的效果。而第二種和第三種則由于已經具備足夠的耗能性質，因此可以不必與阻尼器一起使用，可以直接安裝在建筑物。

疊層橡膠支座與其他的防震措施相比，有不少先進性：首先是這種結構能夠在豎直方向擁有較好的承載剛度，在受力壓縮的情況下不易明顯變形，十分便于將建筑體支撐起來，從而保證建筑的可靠性；其次是在水平方向上，疊層橡膠支座十分便于承受水平的變形，當發生剪切變形的情況下甚至能夠完全不被毀損，可以顯著降低配置了此種結構的建筑在地震中受到的破壞度，尤其是降低建筑物上部在地震中的水平方向位移；第三是疊層橡膠支座在變形復位方面擁有高彈性，當地震發生之后能夠迅速讓其所承載的建筑物恢復原來的位置；第四是疊層橡膠支座的使用壽命較長，不易老化，在建筑物的生命周期中不必更換；第五是疊層橡膠支座在結構方面并不復雜、施工起來較為方便，也能夠保證施工的質量達標。

而在工程的成本造價方面，當建筑物使用了疊層橡膠支座隔震模式，如前文所述，建筑物上部的抗震性顯著增強，因此在構造方面的標準可以適當降低，建筑截面的配筋使用量可以降低，為控制建筑上部造價起到了關鍵作用；并且，結合我國對于建筑物抗震設計的國家標準：在建筑抗震方面的地基抗震驗算依舊是基于本地區烈度的。所以在一些地震頻發的地區，進行抗震驗算并將其作為建筑物設計必須遵循的標準時，能夠顯著降低建筑造價。由于采用疊層橡膠隔震技術而新增的成本包括：首先是建筑必須設置隔震檢修層，所以在施工時會導致土方工程的上升，由此而產生更多的成本；其次是如果建筑隔震層設計了地下室，結合抗震國家標準，應該對所有的地下室進行抗震驗算，而在驗算時還應結合發生地震的各類情況來計算，所以會導致相關成本的上升；建筑在設計階段時，由于為了盡可能減少地震破壞，而在設計方案中體現出的保守性，同樣能夠使工程項目的成本上升。但是即便如此，綜合起來看，以我國目前的建筑施工水平和建筑材料造價標準，傳統的隔震設計和疊層橡膠支座的隔震結構相比較，后者更為經濟。

從現實使用的情況來看，不少的工程實踐案例均能夠證明，基于疊層橡膠支座的建筑物能夠在地震發生時充分發揮其豎向承載的優勢，能夠有效而穩定地支撐建筑結構，避免地震的破壞。以我國當前的類似結構建筑工程來說，大部分使用的疊層橡膠支座均產自國內，其實際承載力一般能夠超過千噸級別，而一些性能更優異的產品承載力目前甚至已經超過了萬噸級別。疊層橡膠支座在構造上并不復雜，也能夠靈活地配置在建筑物不同高度，如果建筑物存在地基不均勻沉降的情況，疊層橡膠支座不會受到較大的影響；無論是在剛度的指標上還是在阻尼指標上表現均十分穩定。在對這種結構進行仿真分析時，其仿真結果和實地測量值十分接近，因此在建筑設計階段便能夠通過合理的運算分析而得到建筑完工時的抗震性能。疊層橡膠支座還擁有較為良好的彈性復位特性，因此在發生地震時可以自動從移位狀態中回復正常；尤其是疊層橡膠支座擁有其他結構難以比擬的水平剛度可變性。如果所在地區發生臺風或者小型的地震，則疊層橡膠支座一開始呈現出比較大的剛度，能夠顯著減少建筑物的結構位移。而在發生中級地震甚至強震的情況下，疊層橡膠支座的水平剛度迅速減少，其阻尼值依舊維持原值，從而起到隔震的作用。而如果疊層橡膠支座在水平方面出現了較大的位移，此時恰好水平剛度增強，能夠有效抑制疊層橡膠支座平側，保護建筑安全。實踐能夠證明，這種隔震技術最適合的使用范圍是6度至9度地震的建筑物，可以顯著降低建筑在地震中受到的破壞，當地面發生震動的時候，建筑物的上部依舊可以保持彈性的狀態，從而使建筑物受到的震害降至最低限度，最大程度地確保建筑物本身的安全以及人身安全。

參考文獻：

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