抗震建筑隔振支座的結構設計分析

代立珠 甘肅宏圖建筑設計有限公司

現(xiàn)代建筑結構的穩(wěn)定性以及抗震性能直接影響著建筑的應用安全性，特別是對抗震性能要求較高（抗震設防烈度＞6 度）的場所更要提升建筑的抗震性能。為了進一步增強建筑抗震性能、保證建筑的穩(wěn)定性，相關設計人員需要對建筑隔振支座結構進行針對性的設計。目前，隔振支座的種類越來越多，耐久性及耐火性能不斷提升，能夠更好地滿足抗震性能的要求。

1 抗震建筑和隔振支座概述

所謂的抗震建筑主要是指抗震設防烈度≥6 度的建筑結構，此種類型建筑能夠有效抵抗地震等自然災害的影響。近年來，隨著抗震建筑技術水平的提升，抗震建筑類型也不斷增加，目前抗震建筑主要包括框架結構、磚混結構、剪力墻結構以及鋼筋混凝土結構等。

在抗震建筑結構中，隔振支座是非常重要的組成部分之一，其屬于結構的支撐性裝置之一，能夠有效減小建筑的振動幅度，提升建筑的適應性。一般情況下，隔振支座會設置在建筑上部結構和地基之間，以此來形成建筑結構的隔振層，從而確保建筑和地面之間形成軟連接，進而能夠消除地震引發(fā)的沖擊[1]。

在具體應用過程中，隔振支座的設置較為靈活，可以當作獨立構件單獨進行使用，也可以采取組合的方式進行使用，具體采用何種方式要按照建筑的抗震要求來確定。例如，要承載地上結構載荷就要用到支撐隔振器，要確保隔振支座不發(fā)生水平變形就要采用減震阻尼器等。目前，市場上隔振支座的類型比較多，其中橡膠型隔振支座、滑動型隔振支座以及復合型隔振支座是應用最普遍的隔振支座類型。

隔振支座具有明顯的應用優(yōu)勢，使用它不但能夠達到增強建筑整體的安全性以及可靠性的目的，而且可以進一步提升建筑施工的經(jīng)濟性。采取合適的隔振支座設置能夠大大減輕地震沖擊力對于建筑上部結構的影響，這樣就可以適度下調(diào)構件尺寸以及該位置的用鋼量，有效控制建筑材料成本以及總體的建筑施工成本[2]。另外，隔振支座的維護檢修較為方便，在建筑維護以及管理方面具有明顯的優(yōu)勢。

2 隔振支座結構優(yōu)化設計

目前，橡膠隔振支座存在自防護性能較差的情況，這就需要增加隔振支座的自防護結構，加強對支座自身結構的限位保護，同時增強橡膠之間以及橡膠和支座之間連接，確保充分發(fā)揮隔振支座的作用。橡膠隔振支座主體為圓柱形，主要包括磁敏橡膠、導磁鋼板、頂蓋、側套筒、底座、線架以及線圈等部分，具體如圖1 所示。

圖1 橡膠隔振支座結構示意圖

通過圓柱形磁敏橡膠和導磁鋼板相錯疊加的方式形成了隔振支座最為關鍵的部分。若磁敏橡膠受到不同方向磁場的影響，其性能參數(shù)（橡膠垂向擠壓模量、水平剪切模量、支座剛度以及阻尼等）會有相應的變化，從而造成隔振支座的性能發(fā)生轉(zhuǎn)變，能夠承載不同強度的振動沖擊。通過磁敏橡膠和導磁鋼板的疊加，可以充分利用鋼板的作用來增強支座的導磁性能，同時加大磁敏橡膠在磁場內(nèi)部磁感應強度，能夠有效降低磁敏橡膠自身導磁率較低所產(chǎn)生的問題。勵磁線圈纏繞在隔振單元的周邊，與繞線架等共同形成環(huán)形勵磁單元，在勵磁線圈中通入不同強度的電流就會形成不同強度的磁場。另外，在上端頂蓋與側邊套筒間、隔振單元中心圓柱和環(huán)形勵磁單元間都存在大小不同的縫隙，可以保證支座能夠承載相應的剪切力以及垂向擠壓力。

此種隔振支座的支座和橡膠之間、橡膠和導磁鋼板之間絕大部分只是通過導電膠水進行粘接，一旦所粘接表面存在某些問題就會造成支座內(nèi)部機械結構損壞。例如，粘接位置周邊存在縫隙、粘接表層之間存在水分而沒有充分干燥、沒有長時間固化而造成未完全固化、粘接表面保護層受到破壞等。另外，若隔振支座同時受到不同方向的力綜合作用時，只通過導電膠水進行粘接的可靠性不足，非常容易產(chǎn)生粘接開裂的問題，嚴重情況下會造成支座完全失效，無法發(fā)揮隔振效果。相關設計人員應合理設計自防護結構來解決上述缺陷[3]。

除了在橡膠和導磁鋼板之間通過膠水進行均勻粘接之外，可以在導磁鋼板上下盤表層中心分別設置突出的小圓柱體，在橡膠的上下表面中心同樣的位置設置同樣大小的凹陷小圓柱體。要確保兩者之間能夠利用小圓柱體進行定位，保證隔振核心單元可以在相應受力狀態(tài)下能夠進行限位保護，并且能夠保持足夠的牢固，同時不會對支座其他結構以及隔振單元的運行造成影響。另外，在上端蓋和底座圓柱臺與橡膠接觸面也設置相應的突出小圓柱，將其嵌入外層橡膠表面。除了可以采取小圓柱形進行導磁鋼板的限位之外，也可以采取其他形狀（錐體、六面體、梯形體等）進行定位，可以按照實際面積情況設定具體定位數(shù)量和位置。

在上端頂蓋與側邊套筒間采用多個桿狀小鋼珠實現(xiàn)護鎖，所用桿狀小鋼珠數(shù)量要根據(jù)上端頂蓋的尺寸來確定。同時，要在側邊套筒上的環(huán)形表層加工出陣列式的矩形孔，并且內(nèi)部設置成半球形的孔位。同樣在完整安裝情況下上端頂蓋下表面和側邊套筒孔位相對應區(qū)域加工出相同形狀和數(shù)量的孔位。桿狀小鋼珠主要通過中間的長方體連桿連接兩側的扇形片狀。在組裝隔振支座時要將每一個桿狀小鋼珠和上端頂蓋以及側邊套筒矩形孔相對準之后進行插入，之后旋轉(zhuǎn)相應的角度（角度不能取180°的整數(shù)倍），保證小鋼珠能夠安裝在上下孔位之間。因為上端頂蓋和側邊套筒的半球孔位半徑會超過桿狀小鋼珠的扇形半徑，所以在桿狀小鋼珠安裝到孔位之后其能夠自由活動，多個小鋼珠能夠建立起萬能活動關節(jié)，在確保隔振支座正常工作的情況下也能進行有效的限位，一旦受到多方向外部載荷沖擊振動，對隔振支座進行有效的補償反饋。即使隔振支座不處于水平位置其也不會發(fā)生脫落問題，從而大大提升了隔振支座結構自防護性能以及隔振可控性能。

對于護鎖機構來說，防護角度越大，越能夠發(fā)揮效果，但為了避免安裝復雜性太高，需要按照隔振支座的整體尺寸或者實際的隔振需求調(diào)整護鎖機構的具體數(shù)量。護鎖機構可以采用球狀、片狀、雙頭勾狀等不同類型，所用數(shù)量也要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。要按照支座整體尺寸或者最終數(shù)量來調(diào)整單個護鎖機構的尺寸，將其安裝到上端頂蓋與側邊套筒間能夠?qū)Ω粽裰ё苑雷o進行有效的限位[4]。

護鎖機構以及限位導磁鋼板的優(yōu)化設計，能夠極大地增強支座受到不同方向載荷作用時的結構自適應能力和抗沖擊性能，同時也對于隔振支座的多方向隔振打下了良好基礎。

3 抗震建筑隔振支座結構設計具體應用

3.1 案例基本概況

某建筑工程屬于中小學教學建筑，房屋高度為21.3 m，地上共有5 層，其中首層高度為5.1 m，其他層高度為3.9 m，室內(nèi)外高差0.6 m。該建筑的抗震防烈度為8 度（0.2 g）。

建筑場地屬于Ⅱ類場地，抗震設防類別為重點設防類（乙類建筑）。建筑結構形式采用鋼框架結構，基礎形式為柱下獨立基礎。為了進一步增強該建筑的抗震性能，在此地基頂部位置安裝了隔振支座。此建筑工程的上部結構重力載荷以及側移剛度如表1 所示。

表1 建筑上部結構重力載荷以及側移剛度

3.2 抗震建筑隔振支座結構設計的具體應用

在進行隔振支座結構設計時，最根本的就是要確保鋼板層和橡膠層能夠充分連接，確保建筑結構可以承載較大的外部沖擊載荷。對于案例建筑工程來說，根據(jù)其實際情況需要將隔振支座設定在基礎頂部受力比較大的位置，并且通過嚴格計算后設定隔振支座的規(guī)格型號。

目前，較為常用的隔振支座主要包括橡膠隔振支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等類型。其中橡膠隔振支座主要利用天然橡膠制成，除了具有較強的變形性能外，也具有較強的耐磨性和耐久性，實際應用時抗震效果良好。由于橡膠支座具有較強的抗震性能以及變形能力，實際應用時符合抗震性能和鋼板貼合方面的標準，因此該案例工程主要采用以天然橡膠制成的隔振支座。

在明確了隔振支座的類型之后就可以進一步對隔振支座的應用方式、布局方式等內(nèi)容進行深入設計。在充分分析此建筑工程建筑特性、抗震要求的基礎上，案例工程最終確定采用滑動隔振支座和抗震支座兩種支座建立起整個抗震支撐體系。

第一，滑動隔振支座。通過設定滑動隔振支座可以利用材質(zhì)所具有的變形性能抵消地震所產(chǎn)生的沖擊，能夠減緩甚至消除地震所造成的結構變形以及位移。將滑動隔振支座應用到該建筑中，能確保支座的自振周期和建筑結構具有同樣的震動頻率，可以有效避免出現(xiàn)共振情況，對建筑上部結構進行有效的保護，防止其受到地震的影響。另外，建立的滑動隔振支座系統(tǒng)也可以進一步延長支座內(nèi)部系統(tǒng)周期性，極大地提高整個建筑的抗震效果[5]。

第二，通過滑動隔振支座與橡膠隔振支座的共同作用能夠形成綜合性的混合隔振支座，其具有更強的抗震性能。此種類型的支座包含不同類型材質(zhì)，可以充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢，更好地實現(xiàn)防震作用。因為橡膠隔振支座具有非常好的恢復性能，因此該系統(tǒng)一旦受到阻斷也能夠迅速恢復剛性，有效承受地震帶來的沖擊力。通過組合所形成的隔振支座存在兩種自振周期，隔振結構的周期和橡膠隔振周期相同，但是一旦隔振支座不能進行移動，那么支座的自振周期就為自然周期。

為了取得較好的隔振效果，案例之中的建筑在應用的過程中一共設置了40個隔振支座，保證所設置的隔振支座具有同樣的豎向承載力（2 673 kN），同樣的豎向剛度（3 215 kN/mm）；以及控制水平性能為屈服力65 kN、屈服剛度為1.235 kN/mm、等效剛度2.51 kN/mm，等效阻尼比25%。

在對建筑平面實施布設過程中，相關設計人員不但要考量隔振支座所承載的豎向載荷，同時要充分考量隔振支座一旦受到較大地震影響下的拉應力情況。如果隔振支座遭受到豎向承載力以及較大地震沖擊力的共同影響，要控制拉應力小于1 MPa。

為了最大限度地確保施工效果，相關設計人員在進行隔振支座設置時可一定程度上加大密度。特別注意的是，一定要保證隔振支座設置在基礎柱頂之上，在施工時要對控制軸線位置、柱頂標高進行嚴格控制，確保隔振支座位置的合理性。

3.3 支座維護

為了保證隔振支座能夠充分發(fā)揮作用，加強隔振支座的維護保養(yǎng)是非常關鍵的。在實際應用時，相關工作人員要對隔振支座進行周期性維護，重點在于以下4 方面。

一是定期檢查隔振支座的關鍵性指標，如支座的變形情況、支座防腐層情況、支座標號清晰度以及相關零件耐久性等，確保隔振支座結構始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。二是建筑工程竣工之后，相關工作人員要對其進行整體性檢查以及抗震性評定，確保整個結構的實用性。三是要對隔振支座的外觀以及內(nèi)部結構進行日常性檢查，特別是建筑在受到地震等影響之后，在保證安全性的基礎上要及時對隔振支座的使用情況進行檢查。四是要特別關注結構的搶修以及補救工作，最大限度地保障隔振支座的完整性、抗震性。

4 結語

在建筑中有效應用隔振支座能夠極大地增強建筑的抗震性能，能夠進一步提升建筑的安全性、穩(wěn)定性。目前，市場上隔振支座類型較多，不同類型的支座結構存在著較大的差異，所以在具體應用過程中需要按照建筑結構的具體情況對隔振支座結構實施設計優(yōu)化，保證選型的科學性，同時要加強后續(xù)的管理力度，以確保整個建筑結構的穩(wěn)定性，使其具有較強的抗震性能。