淺談橡膠隔震支座力學性能

吳子瀛

蘇交科集團股份有限公司 地下空間與建筑所 江蘇 南京 211100

傳統的抗震設計往往通過增加自身強度和變形來進行抗震設計，在地震時依靠自身的塑形變形以抵御地震作用，最終以結構和設備的破壞來吸收能量。在強震作用下，這種“殺敵一千，自損八百”的方式雖然能夠滿足“三階段，兩水準”的設計標準，但是震后維修的費用將是巨大的。尤其是對于生命線工程，因為設備損壞而造成建筑物不能正常運行所帶來的損失也是不容樂觀。對此，區別于傳統的“硬抗”，通過阻止地震作用向上部結構傳遞的隔震技術應運而生，由于具有概念明確、效果明顯、經濟效益顯著等特點，目前已經愈發廣泛地在工程中得到運用。

1 橡膠墊隔震支座的種類

目前，隔震支座從組成上主要分為四大類： 橡膠隔震支座、滑動隔震支座、復合型隔震支座和其他隔震支座。其中，橡膠隔震支座應用最為廣泛。這是一種由多層橡膠和多層鋼板或其他材料交替疊置結合而成的隔震裝置，可按中孔是否有插芯分為普通型和有芯型兩種。其中，無芯型一般是指疊層橡膠支座，有芯型一般是指鉛鋅橡膠支座。此外，為了能夠更好地延長結構周期，還有高阻尼橡膠隔震支座。

2 橡膠墊隔震支座的力學性能

2.1 豎向性能

在地震發生時，傳統觀點認為，水平地震力對結構的破壞起決定性作用，因此，近年來水平隔震技術的研究和應用日趨廣泛，新的隔震體系不斷得到開發和應用。相對于水平隔震技術，豎向隔震的發展相對緩慢。但是在近幾十年的地震中，研究人員觀察發現在震中和發震斷層附近產生較強的豎向地震動，其中一些豎向地震動的加速度峰值超過水平地震動。此外，在高層建筑隔震中，傾覆效應使得隔震支座軸力變化大，而且存在進入拉伸狀態的可能性。因此，研究隔震支座豎向力學性能顯得尤為重要。

2.1.1 豎向極限壓應力

最新抗震規范規定了橡膠隔震支座的設計壓應力取值，即根據Haringx彈性理論，按穩定要求，以壓縮荷載下疊層水平剛度為零的壓應力作為屈服應力σcr，該值取決于橡膠硬度、鋼板厚度與橡膠厚度的比值、第一形狀系數S1（橡膠支座中各層橡膠的有效承壓面積與其自由表面積之比）、第二形狀系數（橡膠支座有效承壓體的直徑與橡膠總厚度之比）有關?？蒲腥藛T通過對不同形狀系數，不同硬度的橡膠支座進行試驗，發現最小的屈服應力值為34N/mm2。考慮在地震作用下發生剪切變形，取容許變形為0.55倍的支座直徑，則丙類建筑壓應力設計值為文獻中也提到橡膠隔震支座的設計壓應力通常取。若第二形狀系數減小或者建筑物的重要性增加，則最大壓應力限值將適當減小。

2.1.2 豎向剛度

劉文光提出了利用剛度因子簡化表達式計算橡膠支座豎向剛度，并且適用于疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座。隨著第一形狀系數和剪切模量的增加，支座豎向剛度將會增大，并且試驗數據與理論值非常接近。此外，還進行了在剪切變形下豎向剛度的測試，發現隨著剪切應變的增加，豎向剛度將會減小。因此該文章建議：在全面評價橡膠隔震支座特性,以及在進行橡膠隔震支座產品開發時，除進行零剪切變形的豎向剛度試驗外，宜增加剪切變形100%、200%和300%時的豎向剛度特性進行評價。目前在橡膠隔震支座的相關參數中，會專門說明在達到一定剪切變形下的剛度和阻尼比。

2.1.3 拉伸性能

高層建筑高寬比較大，在地震時傾覆效應顯著，易使隔震支座出現拉應力，而普遍使用的疊層橡膠支座抗拉能力不強，在受拉后橡膠內部會有損傷，從而降低了彈性性能。朱宏平等也指出，目前在高層建筑隔震中存在的一大疑點就是隔震支座的抗拉性能是否滿足要求。最新的抗震規范中規定了隔震支座拉應比起文獻中建議的拉應力更為嚴格，可見在設計隔震建筑尤其是高層建筑時要特別關注隔震支座的受拉問題。

2.2 水平性能

橡膠隔震支座的水平性能包括水平剛度和阻尼比。結合隔震結構的原理，隔震支座的水平剛度越小，自振周期越大，隔震效果就越好，從而使上部結構的反應減小。而隔震結構在地震作用下隔震層的位移較大，容易產生傾覆力，該傾覆力會使支座的豎向荷載不斷變化，最終有可能導致支座壓屈。因此，進行隔震結構的抗震分析時需要考慮耦聯效應，這也是研究橡膠支座水平性能以及建立力學模型時的一大困難。對此，研究人員通過控制豎向承載力和剪應變對不同類型橡膠隔震支座的水平性能進行了試驗。

2.3 耐久性

建筑物的使用壽命一般大于50年，在漫長的使用期內，橡膠材料因受到溫度、空氣及水分等因素的影響而發生表面硬化、軟化、裂紋等老化現象從而改變橡膠支座的力學性能。目前對橡膠支座耐久性的研究主要是對橡膠老化后以及在溫度變化情況下力學性能的測試。試驗的方法主要通過劣化試驗中的人工加速劣化，即：使試樣在常壓和規定的熱空氣作用下,經過一段時間后側定其物理機械性能的變化，其理論依據為WISE等用 Arrhenius 理論建立的在熱老化條件下加速老化與實際老化速度之間的關系，目前國內外大多采用該方法預測橡膠壽命。最新抗震規范對于隔震支座力學性能測試所允許的設計值與試驗值之間的偏差為20%。

3 小結

本文簡要地敘述了目前國內外對于隔震支座力學性能的研究成果，隨著近幾年地震的頻繁發生，隔震技術將會得到更為廣泛的應用。