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隔震支座发展概况

浏览次数: 发布时间:2015年3月16日 10:37

  地震是一种突发性自然灾害,发生时释放大量的能量,常常造成严重的人员伤亡及房屋道路等工程设施破坏,还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂等一系列滋生灾害的发生。全球平均每年发生可测到的地震次数超过500万次,其中7级以上的地震有十几次。

  世界上很大一部分人口居住在地震多发区内,当地震在这些区域发生时,往往给人们带来不可估量的损失,严重威胁着人类的生命财产安全。2008年5月12日发生在我国四川汶川地区里氏8级的大地震,死亡近10万人,受灾人数达1000万人,直接经济损失达318亿元,强震波及陕、甘、青和重庆等省市和自治区,远至北京和上海都有明显的震感。2011年3月11日,发生在日本本州岛的9.0级地震,造成了至少10066人死亡,17542人失踪。并且造成了福岛第一核电站1号、2号、3号反应堆冷却系统失灵,4号反应堆失火的情况,使得当地多人遭受过量辐射。因此,运用现代技术手段对建筑结构进行抗震设计,在地震中保证人们的人身安全,减少地震带来的损失,成为了工程技术人员研究重点。

  纵观房屋抗震发展史,房屋结构一般都是依靠增强房屋的承载能力和变形来抵御地震。传统结构的设防目标为:“小震不坏、中震可修、大震不倒”,只有依靠主要构件如梁的开裂吸收能量【1】。 由于科技技术的限制,目前我们尚不能准确的估计地震发生的时间或强度。按传统方法的结构很可能由于不具备自我调节能力而无法满足安全要求。以结构付出塑性 变形和结构部件损伤为代价的抗震设计将在大地震或罕遇地震中带来巨大的经济损失和人员伤亡。随着科技的高速发展,如工业厂房、医院、通讯中心类的配备有高 精密仪器的建筑,对抗震设计的要求很高,采用传统依靠建筑吸能抗震的设计方法已不能满足要求。此时,世界各国的学者将目光转向了更安全,更有效的抗震方法-隔震设计方法。目前,隔震技术被广泛的应用于世界各国的桥梁、建筑上,其理论及实际工程应用越来越成熟。

  隔震结构体系概述

  隔震结构工作原理

  隔震结构是指在上部结构域基础之间设置有隔震层的建筑、隔震设计的基本思想是通过安装在结构物和地基或基础之间的隔震装置变形吸收地震能量,限制和减少地 震波向上部结构输入,起到控制上部结构地震作用效应的效果,达到减小地震响应、提高结构安全性的目的、国内外的大量试验和建筑实例表明:隔震装置一般可以 将结构的水平地震加速度降低至无隔震支座时的40%,这样可以有效地消除或减轻结构的地震损坏,使得上部结构在大震时仍保持在弹塑性变形初期状态。结构处于弹性或弹塑性初期状态就确保了建筑物及其内部人员、设施的安全,达到了大震后建筑物能够继续使用的预期防震要求[2].

  由结构动力学抗震设计的基本原理可知,典型的地震动卓越周期为0.1-1.0s,如果结构的自振周期在0.1-1.0s内,则很容易与地震发生共振,使结构发生严重破坏。而使用隔震装置的结构,通过各种装置的变形,减小结构总体刚度,使得自振周期增大,从而避开了地震卓越周期,防止了结构与地震动的共振现象的发生。建筑结构所受的地震作用大大的减少,达到了隔震目的

  隔震支座种类

  根据隔震层隔震装置的不同,隔震支座可分为橡胶支座隔震系统、滑移支座隔震系统、滚动支座隔震系统和混合基础隔震等隔震系统等。各类隔震支座结构地震反应 的性态有所不同,但其隔震原理基本相同,都是通过隔震层消弱而不是强化上部结构与基础间的联系,改变结构系统的动力特性,避免共振或接近共振现象的发生, 达到减小地震作用力和限制隔震层位移的目的。下面将介绍几种隔震系统的特点橡胶支座隔震系统

  采用橡胶隔震支座的隔震体系在试验与理论研究及工程应用等方面正在世界多个国家迅速发展,这种隔震体系主要采用橡胶隔震支座作为隔震装置,单独或与阻尼器 共同作用形成有效的隔震层,是一种竖向承载力高、水平刚度较小、水平侧移容许值较大的装置,它既能减小水平地震作用,又能承受竖向地震作用,适用于房屋、 铁路、设备等隔震装置中,是目前世界上应用最多的隔震器。

  经过各国学者几十年的研究开发,目前应用较广泛的橡胶隔震支座主要有以下几种类型:

  铅芯橡胶支座

  铅芯橡胶支座为目前最普遍的一种隔震系统,是由橡胶叠层支座填充铅芯柱所组成。为了克服纯叠层橡胶支座阻尼小,在强震下水平位移过大的缺点,在橡胶支座中 心填充铅芯,利用铅本身屈服的行为,在平时可承受环境振动,地震来临亦可发挥耗能作用,目前在常温下可迅速的发生再结晶,不易产生应变硬化的现象,可长期 重复使用,是理想的阻尼材料。

  高阻尼橡胶支座

  高阻尼橡胶隔震支座是采用人工合成橡胶,调整橡胶材料的配方改变橡胶分子结构,使橡胶同时具有天然橡胶隔震支座的弹性复位性能和耗能能力(阻尼可达15%)【3】。在高阻尼橡胶隔震支座领域,国内相关研究开展较少,高阻尼橡胶隔震支座目前日本橡胶公司研究比较成功,并且在工程中已得到应用。

  天然橡胶隔震支座+阻尼器

  天然橡胶隔震支座本身不具备耗能特性,需要与阻尼器共同使用,形成具备弹塑性特性的隔震层。目前常用的阻尼器有粘弹性阻尼器(油、粘弹性等)、弹塑性阻尼器(铅、软钢等)、摩擦阻尼器(滑板支座等)。

  总体上,隔震橡胶支座具有以下特点:

  ①有足够的竖向刚度和竖向承载力,隔震效果明显、稳定,具有较小的水平刚度,保证建筑物基本周期延长至2-3s或3s以上。

  ②有恰当的阻尼比,能有效的吸收地震能量,减小上部结构的地震反应。

  ③有稳定的弹性复位功能,能在多次地震中自复位。

  ④制造简单,安装、修复方便,充分的工程应用并成功的经受了地震的考验。

  ⑤有耐反复荷载、耐疲劳和耐老化等特性。

  滑移支座隔震系统

  滑移基础隔震系统是利用滑移摩擦界面来隔断地震作用的传递,使得隔震层所受地震力不超过界面间最大摩擦力,从而大幅度降低上部结构的地震反应。

  此类隔震系统由于无侧向刚度震后上部结构可能产生偏移,故一般需提供附加的回复装置。国际上通常采用聚四氟乙烯板-不锈钢板作为摩擦面,国内也有不少工程采用柔性石墨及其涂层作为摩擦面。

  根据隔震层有无回复力情况,可将滑移隔震系统分为两类。一类为无恢复力的隔震结构,其隔震层部件主要由纯摩擦滑移支座或砂砾等滑移摩擦材料组成。为提高其可 靠性,还应设置安全锁位构造。另一类为有恢复力的滑移隔震结构,其恢复力部件可与滑移支座合为一体,目前在与减小隔震层的震后残留位移。

  另外,滑移隔震系统根据隔震层部件是否承受竖向重力荷载的情况,还可分为普通滑移隔震结构和混合滑移隔震结构。普通滑移隔震结构中,只有滑移支座承受重力荷载;混合隔震结构中,滑移支座和恢复力部件均要承担一部分重力荷载,其隔震层一般是由滑移支座和橡胶垫支座组成。

  滑移支座具有以下特点:

  支撑净高不大,设计上容易配合;

  竖向刚度大,承重能力强;

  隔震系统无固定频率,对地震波和场地类别不敏感;

  防蚀性、耐久性佳;

  摩擦力与承重成正比,因此刚度重心与质心重合,结构的扭转效应可以减少;

  造价低廉。

  滚动支座隔震系统

  滚动隔震系统主要有辊轴隔震和滚珠隔震两种。当地基产生水平振动时,滚珠或辊轴将产生滚动,使地基基础与上部结构间产生相对位移,因此无法将振动向上部结 构传播,使上部结构避免受地震影响而保证安全。如果按滚动的理想情况考虑,滚球(或滚轴)与上部结构的底板之间以及滚球(或滚轴)与基础之间的相互作用力 只是竖直方向力,而水平方向的分量为零。即无论水平震动有多大,上部结构所受的水平作用力为零,上部结构不会产生运动,滚动隔震支座完全将上部结构和地震 动隔离开。实际情况并非如此,当滚球(或滚轴)滚动起来,接触面对滚球(或滚轴)的滚动是有阻碍作用的。另外,它对竖向隔震无能为力,并且地震时复位能力 差。

  混合基础隔震系统

  混合基础隔震包括建筑隔震橡胶支座与滑移支座的并联基础隔震、串联基础隔震串并联基础隔震等多种形式。其中并联基础隔震和串联基础隔震是混合基础隔震的基本形式。

  并联基础隔震是指建筑隔震橡胶支座和滑移支座在隔震层并联设置,并分别承担上部结构的重力荷载。并联基础隔震将两种支座结合起来,通过合理的配置,可有 效的提高隔震的效果。在并联基础隔震中,滑移支座可以提供较大的阻尼,具有足够的初始刚度和承载能力代替铅芯,以保证风载、环境振动等正常使用条件下的稳 定,普通橡胶支座可提供一部分结构自重,故与橡胶支座相比,可减少建筑隔震橡胶支座的尺寸或数量,降低隔震层的造价;与滑移隔震相比,滑移支座承担的结构 自重减小,若提供相同的摩擦力,其摩擦系数可加大,降低了对摩擦材料的要求,且减小了隔震效果对摩擦系数变化时的敏感性,及放宽了摩擦材料的性能要求及其 波动范围。

  在并联基础隔震中,存在的一个问题是,随着位移的增大,两种隔震支座竖向刚度的比值会产生变化,并导致不同的竖向变形,引起自重在各支座间的重新分布,特别是滑移装置上的压力和摩擦力的变化将影响到上部结构的地震反应。

  串联基础隔震是指建筑隔震橡胶支座和滑移支座在隔震层串联设置,共同承担上部结构的重力荷载。串联基础隔震相当于有两个隔震层。其构造形式概括起来有两 种,即分层式和一体式。串联隔震系统比前述其他隔震系统所用的隔震支座多,隔震层构造复杂,造价较高。因此,对一般建筑,不宜采用串联隔震。对甲、乙类建 筑或构筑物,当其要求强震下有较大的安全性,并且对上部结构隔震反应较严时,在经济许可的情况下,可考虑选用串联隔震系统,如核电和危险品库等。

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