大跨度空间结构的隔震研究
摘 要： 近年来，随着我国工程科学与技术水平飞速发展，大型、复杂工程建设项目大量兴建，建筑高度越来越高、跨度越来越大、结构体系越来越复杂，采用工程技术措施提高结构的抗震能力，已成为目前减轻灾害损失最为有效的途径。但目前大跨度空间结构中的结构振动控制技术还不成熟，有待于进一步的研究，基于此，本文主要阐述了夹层橡胶支座的相关理论，首先介绍了夹层橡胶支座的基本构成和分类。然后介绍了夹层橡胶支座的隔震机理及其动力分析原理。最后，介绍夹层橡胶支座基本力学性能，包括其形状系数、竖向性能和水平性能。使读者对夹层橡胶支座有了深刻地认识，为本文后续夹层橡胶支座的设计及参数的修改奠定了基础。
关键词： 大跨度空间结构； 夹层橡胶支座； 隔震机理
中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）（11-12）-0055-01
1 基础隔震的基本原理和优点
传统的抗震结构是通过增强结构本身的刚度和延性来抵御地震作用，即由结构本身来存储和消耗地震能量，以满足结构抗震设防的要求。按传统方法设计的结构，当受到较大的地震动响应时不具备自我调节与自我控制的能力，而人们又不能准确估计结构未来可能遭遇的地震的强度和特性，由于这种不确定因素存在，当遭遇到强地震作用时结构很可能产生严重破坏甚至倒塌，而不能够满足安全使用的要求。隔震结构实质是通过采用一定的隔震装置使结构部件与其可能引起振动的上部结构隔离开来，使结构或结构部件与可能引起的上部结构振动的支座隔离开来，通常隔震装置设置在结构的基础部位，所以又称为基础隔震。隔震结构的基本目的，就是要避免地震作用传到上部结构或减少传到上部结构的地震作用，把本应传到上部结构的地震作用隔离开来。现在所使用的夹层橡胶隔震支座刚好满足要求，一方面承受结构的所有竖向荷载，另一方面提供适当的水平刚度，延长建筑物的自振周期，避开了场地的卓越周期，且橡胶支座本身具有足够的变形能力和自复位能力。当遇到强度较大的地面运动时，结构内部也只发生中等程度的运动，另一方面，橡胶支座减小的刚度和较大的阻尼有效的降低了传入上部结构的地震能量，从而降低了上部结构的位移、加速度等的地震反应。与传统的建筑结构相比，隔震结构具有如下特点及优越性：
（1）有效的降低结构的地震响应。从已建造的隔震结构在地震中的强震记录及震动台的地震模拟试验结果可知，隔震体系的上部结构加速度反应只相当于非隔震结构加速度反应的1/12～1/4。这种减震效果是一般传统抗震结构无法达到的，从而非常有效地保护整个结构及内部设施的地震中免遭破坏。
（2）安全性。首先，在地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态，特别适用于某些重要建筑物和内部有重要设备的建筑物。其次，隔震装置具有较大的竖向承载能力，可确保建筑物在使用状况下的安全。
（3）经济性。由于隔震体系上部结构吸收的地震能量大大减少，使上部结构节点和构件的断面、配筋减少，造价大大降低。从表面上看虽然隔震装置要增加造价，但事实上建筑总价还是降低了。
（4）抗震措施简单。抗震设计的对象从考虑整个结构物转变为只考虑隔震装置，设计施工大大简化。
（5）震后修复方便。地震后，只须对隔震装置进行必要的检查更换，无须考虑建筑结构物本身的修复，可很快恢复正常生产和生活，这将带来明显的经济效益和社会效益。
（6）灵活性。采用隔震装置后，上部结构所受的地震作用大大减小，避免了上部结构建筑和结构设计时的很多限制。
2基础隔震结构的基本特性
为了达到明显的减震效果，隔震装置必须具备以下四项基本特性：
（1）较大的竖向承载力。隔震装置的竖向承载力必须满足要求，使建筑物在承受上部荷载的作用下能够安全使用，另外，保证隔震装置的竖向承载力具有一定的安全系数，确保建筑物在使用阶段和地震发生时具有足够的安全储备。
（2）隔震特性。隔震装置的水平刚度可以调节，在微小地震或强风作用时，隔震装置的水平刚度较大，使上部结构发生的较小相对位移从而保证结构正常使用。在罕遇地震发生时，隔震层水平刚度不是很大，上部结构发生整体滑动，使得柔性的隔震体系代替了刚性的抗震体系，延长了结构的基本周期避开了场地的特征周期，使上部结构的地震响应明显的降低了，而且加速度响应可降低为非隔震结构加速度响应的1/12～1/4。
（3）复位特性。由于隔震装置具有水平弹性恢复力，可保证结构在地震中具有瞬时自动复位功能，地震后可恢复到初始状态，满足正常的使用功能。
（4）阻尼消能特性。隔震装置具有足够的阻尼，从而有较大的耗能能力。
总之，对工程基础进行隔震处理，既有经济性，又可提高工程的抗震性。确保建筑物在使用阶段和地震发生时具有足够的安全储备。
3夹层橡胶支座的基本构成
夹层橡胶支座是由橡胶层和夹层钢板分层叠合经高温流化粘结而成。
（1）橡胶层（厚tr）和夹层钢板（厚ts）紧密粘结，保证钢板能够约束橡胶层的变形，确保橡胶层水平向能够抵抗反复荷载的疲劳作用和足够的变形能力，竖向具有相当的抗拉能力和足够的承压能力。要保证在多遇地震作用下隔震装置没有损坏处于安全工作状态，在罕遇地震作用下能够保证建筑物的安全，隔震装置没有损坏或经修复后可以继续使用。
（2）侧向安装保护层，保护橡胶层的耐火性、耐水性等，使之有较高的耐臭氧老化和高低温老化的性能。
（3）为使夹层橡胶支座阻尼满足要求，橡胶层中要灌入高阻尼橡胶材料或铅芯或具有粘性的材料芯。
（4）上下连接板，保证橡胶支座能够与上下构件可靠安全连接。
4夹层橡胶支座的隔震机理
隔震结构就是当地震作用时，能够通过隔震装置把地震力与上部结构隔离，限制或减少地震波向上部结构传递，控制上部结构在地震中的变形、内力等地震响应，提高结构的安全性能。从地震工程学和结构动力学的角度对隔震结构进行分析，中低层建筑自振周期一般处于0.1s～1.0s之间，与场地特征周期相重合容易发生共振，采用隔震装置使地震作用集中在隔震支座而不传递到上部结构，从而确保地震作用下建筑物的安全；与中低层建筑相比，超高层建筑自振周期较长，传到上部结构的地震能量被各层结构分摊，超高层建筑具有较好的柔性。
一般建筑物在地震作用下的加速度反应谱和位移反应谱。抗震结构的中低层建筑刚度大，柔性小，地震作用时结构位移反应谱比较小，加速度反应谱比较大，结构位移地震反应谱的A点。采用隔震技术的中低层建筑，隔震装置吸收大量的地震能量，减小了传到上部结构的地震作用，延长了上部结构自振周期，上部结构层间位移较小，结构加速度反应谱相应减小，结构位于地震反应谱的B点，但是隔震层的位移增大，结构发生整体平动，甚至会超过隔震装置位移限值。当隔震层位移较大时，必须在隔震层设置阻尼元件或改变隔震材料性能，增大隔震层的阻尼，有效控制隔震装置水平位移。
5基础隔震体系结构动力分析原理
目前基础隔震结构多用于中、高层建筑，高宽比较小、上部结构水平层刚度较大的建筑物。当上部结构的层间刚度远远大于隔震装置的水平刚度时，上部结构在地震作用下只做整体水平滑动，为简化计算，在一般情况下可将上部结构近似简化为单质点体系，并且可忽略上部结构的扭转作用，且隔震结构体系的刚度和阻尼也可近似用隔震装置的刚度和阻尼来代替。当上部结构层数较多，高宽比较大、层间刚度较小时，上部结构须简化为多质点体系，并且要考虑结构的倾复、扭转等因素。
