叠层橡胶隔震技术

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叠层橡胶隔震技术1、简单结构隔震体系的基本特性和减震机理结构隔震体系是指在结构物底部与基础面(或底部柱顶)之间设置某种隔震装置而形成的结构体系。它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。为了达到明显的减震效果，隔震装置或隔震体系必须具备下述四项基本特性：①承载特性：各层装置具有较大的竖向承载能力。在建筑结构物使用状况下，安全地支撑着上部结构的所有重量和使用荷载，具备较大的竖向承载力安全系数，确保建筑结构物在使用状况下的绝对安全和满足使用要求。②隔震特性：隔震装置具有可变的水平刚度特性，在强风或微小地震时（F≤F1），具有 足够的水平刚度K1，上部结构水平位移极小，不影响使用要求；在中强地震发生时，（F>F1），其水平刚度K2较小，上部结构水平滑动，使“刚性”的抗震结构体系变为“柔性”的隔震结构体系，其自振周期大大延长(例如Ts=2～4s)，远离上部结构的自振周期(Ts=0.3～1．2s)和场地特征周期(Tg=0.2～1.0s)，从而把地面震动有救地隔开，明显地降低上部结构的地震反应，可使上部结构的加速度反应(或地震作用)降低为传统结构加速度反应的1／4～1／12。并且，由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，所以，上部结构在地震中的水平变形，从传统抗震结构的“放大晃动型”变为隔震结构的“整体平动型’，从激烈的、由下到上不断放大的晃动变为只作长周期的、缓慢的、整体水平平动．从有 较大的层间变位变为只有很微小的层间变位，斟而上部结构在强地震中仍处于弹性状态。这样，既能保护结构本身．也能保护结构内部的装饰、精密设备仪器等不遭任何损坏，确保建筑结构物和生命财产在强地震中的安全。为了隔离竖向震(振)动，对于隔震(振)体系，则要求隔震(振)装置具有合适的竖向刚度，使隔震(振)体系的竖向自振周期远离上部结构的自振周期及场地(或振源)的特征周期（或激振周期)从而明显有效地隔开竖向震(振)动，降低上部结构的震(振)动反应。③复位特性：由于隔震装置具有水平弹性恢复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后，上部结构回复至初始状态，满足正常使用要求。 ④阻尼消能特性：隔震装置具有足够的阻尼C，即隔震装置的荷载F-位移u曲线的包络面积较大，具有较大的消能能力。较大的阻尼C可使上部结构的位移明显减少。 2、结构隔震体系的优越性及应用范围只要具备上述四项特性，隔震体系就具很明显的减震能力。与传统的抗震结构体系相比较，隔震体系具有下述优越性：①显有效地减轻结构的地震反应：从振动台地震模拟试验结果及已建造的隔震结构在地震中的强震记录得知，隔震体系的上部结构加速度反应只相当于传统结构(基础固定)加速度反应的1／11～1／12。这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的，从而能非常有效地保护结构物及内部设备在强地震冲击下免遭毁坏。②确保安全：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，这既适用于一般民用建筑结构．确保人们在强地震中的绝对安全，也适用于某些重要结构物、生命 线工程结构物、内部有重要设备的建筑物等，确保在强地震中正常使用。③降低房屋造价：由于隔震体系的上部结构承受的地震作用大幅度降低，使上部结构构件和节点的断面、配筋减少，构造及施工简单，大大节省造价。虽然隔震装置需要增加造价(约5％)．但建筑总造价仍可降低。从汕头、广州、西昌等地建造的隔震房屋得知，多层隔震房屋比传统多层抗震房屋节省士建造价：7度区节省1％～3％；8度区节省5％～15％；9度区节省10%～20%，并且安全度人大提高。④抗震措施简单明了；抗震设计的对象从考虑整个结构物的复杂的不明确的抗震措施转变为只考虑隔震装置，简单明了，设计施工大大简化。⑤震后无须修复：地震后．只对隔震装置进 行必要的检查，而无须考虑建筑结构物本身的修复。地震后可很快恢复正常生活或生产，这带来极明显的社会和经济效益。⑥上部结构的建筑设计(平面，立面、体形、构件等)限制较小：由于上部结构地震作用已经很小，使建筑及结构设计从过去很多严格的规定限制中解放出来，例如，可采用于超高砌体房屋、大开间灵活单元住宅房屋、不规则建筑结构物等。结构隔震体系特别适用于下述工程应用：①地震区二至三十层的民用建筑。例如住宅、办公楼、教学楼、宿舍楼，剧院、旅馆、大商场等。②地震区的生命线工程。例如医院、急救中心、指挥中心、水厂、电厂、粮食加工厂、通信中心、交通枢纽、机场等。 ③地震区的重要建筑结构物。例如，重要历史性建筑、博物馆、重要纪念性建筑物、文物或档案馆、重要图书资料馆、法院、监狱、危险品仓库、有核辐射装置等。④内部有重要设备仪器的建筑结构物。例如，计算机中心、精密仪器中心、实验中心、检测中心等。⑤桥梁、架空输水架等重要结构物。⑥放置重要历史文物、重要艺术珍品等的房屋或箱柜。⑦重要设备、仪器、雷达站、天文台等。⑧建筑物、结构物内部需特别进行局部保护的楼层。⑨已有的建筑物、结构物或设备、仪器、设施等不符台抗震要求者，可采用隔震技术进行隔震加固改良。 3、隔震技术的分类及构造做法 根据我国及世界各国对多种多样隔震技术的研究开发和应用，可按不同的“隔震装置”和不同的“隔震层位置”对其进行分类。 4、夹层橡胶垫隔震技术在世界各国的最新研究发展和应用现状在完成大量理论研究和试验研究的基础上，建成第一幢采用某种隔震技术的建筑结构物，是隔震技术发展过程的“突破点”；经受真实地震考验，则是该技术成熟性的重要标志。夹层橡胶垫隔震房屋：由华南建设学院西院周福霖等主持，于1993年在汕头市建成第一幢，并在1994年9月16日台湾海峡地震(7．3级)中经受考验。由云南大理建筑设计院刘榆生等和华南建设学院西院周福霖等主持，于1994年在大理市建成第二幢，并在1995年10月24日云南武定地震(6．5级)中经受考验。地震发生时，传统抗震房屋激烈晃动，屋里的人站立不稳，桌上杯瓶 跳动，悬挂物摇摆，人们惊慌失措，但隔震房屋中的人却几乎没有震感，震后才听说发生地震。无粘结叠层橡胶垫隔震房屋：由华中理工大学唐家祥、刘再华等主持．于1994年在安阳市建成(唐家祥、刘再华，1995)，尚待地震考验。设备隔震防滑垫技术：由江苏省地震局工程研究中心张雪亮等主持，已取得系列研究和应用成果。到日前为止，我国兴建的隔震建筑结构物共有34幢(项)，其中，砂垫层隔震房3幢，右墨砂浆隔震楼2幢，情移块隔震楼3幢，无粘结叠层橡胶垫隔震楼4幢，夹层橡胶垫隔震楼27幢，地铁橡胶垫隔震工程l项。另有数十幢隔震楼将在近期兴建。在1995年1月17日日本阪神大地震中， 地震区有两幢橡胶垫隔震房屋(兵库县松村组三层隔震楼、兵库县邮政部七层中心大楼)，仪器记录显示，隔震建筑物的加速度反应仅为传统抗震建筑物加速度反应的1／4～l／8，两幢隔震房屋的结构及其内部的装修，设备、仪器丝毫无损，其明显的隔震减震效果令人惊叹。日本阪神大地震使人们的观念发生重大变化。房屋建筑从过去首先考虑室内装修转变为首先考虑房屋的抗震安全性。隔震房屋成为人们建造抗震安全房屋的新出路。日本于1982年建成第一幢钢筋混凝士橡胶垫膈震房屋(共二层)：从1982年至1995年1月的13年间共建造橡胶垫隔震房间84幢，从1995年2月至1995年10月，仅9个月，日本新设计的、正在施工的橡胶垫隔震房屋达120幢，对隔震楼房的需求量 甚至超过传统抗震房屋。可见其工程应用己步入全面推广、飞跃发展的阶段。日本隔震技术的发展有如下特点：①隔震装置几乎全部采用夹层橡胶隔震垫。②夹层橡胶垫的质量要求特别严格。每幢隔震楼所采用的橡胶垫必须是规模较大、历史较长的名牌厂生产，必须经过系统全面的试验，并接受全国免震建筑委员会的严格审查后才准于采用。因为夹层橡胶垫的质量是确保房屋和人身安全的关键。②在1995年以前，橡胶垫隔震技术多应用于少量的重要建筑(重要办公楼、研究所、邮电楼、计算机中心等)，1995年后开始应用于量大面广的住宅。④橡胶垫隔震房屋的造价略高于传统抗震房屋．但抗震安全度则提高4～8倍；虽然房屋造价略高，人们还是乐于接受和采用。隔震房崖的售价较高，人们还是抢先购买。 ⑤橡胶垫隔震技术小光普遍用于建筑物，也用于高速公路、铁路桥梁厢震、贵重设备仪器隔震、房屋内部楼面隔震等。1985年，美国建造第一幢采用夹层橡胶隔震垫的四层钢结构的加州福希尔法律司法中心大楼(重要建筑)，至今已建成近20幢，还采用橡胶隔震垫对16幢已有房屋进行防震保护由Ⅱ固改造，并在20多座重要桥梁中采用夹层橡胶垫。美国的隔震技术的发展有如下特点：①隔震装置几乎都采用夹层橡胶隔震垫。②多用于重要的、大型的建筑物，较少用于一般民用住宅。③造价偏高，一般比传统抗震建筑的造价提高约3％--7％，但能确保强地震中的安全。④不仅用于新建筑物，还大量用于对现存的抗震能力不足的重要建筑物进行加固改造。 ⑤除建筑物外，还大量用于桥梁结构。5、夹层橡胶垫隔震技术的成熟程度分析（1）隔震技术成熟程度的判断标准目前，国内外已经研究、开发的各种隔震技术都存在各自的优点和缺点，其技术成熟程度不尽相同。一般而言，判断某种隔震技术的成熟程度，有如下七项标准：①足够大的承载能力：隔震装置要具有承受高达几千吨的竖向荷载的承载力，并且具有足够大的安全系数，以确保建筑结构物在平常状况和强地震发生时的安全。②隔震效果明显和稳定，并能相对准确地进行定量设计计算和控制：隔震装置的刚度和阻尼特性是影响隔震效果的关键。某些隔震装置的刚度和阻尼值离散性较大，在试验室中的试验值与工程应用中的实际值差异较 大，在结构承受地震冲击过程中，其刚度及阻尼特性的变化较难准确控制，稳定性较差。这样，对隔震结构的隔震效果就难以进行相对准确的定量设计计算和控制。③自动复位功能：要求隔震装置在经受多次连续地震冲击过程中，上部结构能瞬时自动复位，以保证建筑结构的正常使用。如果不能自动复位而需进行人工复位，在工程应用上足不现实的。④耐久性较好，要求隔震器的使用寿命不短丁建筑物的使用寿命(一般为50年)，并且其耐久性必须有充分的试验依据和工程使用历史依据。⑤受建筑施工安装误差或地基不均匀沉降影响较小：建筑施工安装误差和建筑结构物地基的不均匀沉降是难以完全避免的。如果对其影响过于敏感(如隔震装置的水平滑移性能等)，则将严重影响隔震有效性。 ⑥具有一定的竖向抗拉性能：强地震时，上部结构的倾复影响和场地的竖向地震动，可能使隔震装置处于受拉状态，因此隔震装置必须具有一定的抗拉能力。⑦充分的工程应用经验和经受真实地震考验，这是检验隔震技术或隔震装置成熟程度的最重要的标志。（2）夹层橡胶垫隔震技术的成熟程度分析对照上述七项标准，在目前国内外已经研究、开发的各种隔震技术中，夹层橡胶垫隔震技术较为成熟。至目前为止，国内外应用于建筑结构、桥梁、设备等的隔震工程中，绝大多数采用“夹层橡胶垫”隔震技术。应用这一技术的建筑物或桥梁在我国、日本、美国等均已成功经受了地震考验。因此．它 是一项比较成熟的、可以广泛推广应用的隔震技术。夹层橡胶垫隔震技术的成熟，主要体现在下述几个方面：①竖向承载能力大，作为建筑结构物的支承垫，非常安全。目前，我国汕头(和泰)隔震器材公司生产的夹层橡胶垫隔震房屋的竖向承载力安全系数均大于6.0，每个垫的设计承载力达到成千吨，极限承载力达到成万吨。②隔震效果明显、稳定。由于夹层橡胶垫的刚度及阻尼性能较稳定，理论计算：试验值与现场实际值比较吻台，所以，可以通过设计计算，较准确地控制强地震时结构的地震反应，目前，我国采用汕头生产的橡胶垫建造的隔震房屋的地震反应控制在传统抗震房屋地震反应的1／8～l／12之内，非常安全。并能准确可靠地定量计算和控制隔震结 构的地震反应。这是其他隔震装置难姒达到的。我国汕头生产的夹层橡胶垫，还具有水平目4度可变的特性。当强风或小地震时，橡胶垫初始刚度较大，房屋屹立不动。当中大地震时，橡胶垫水平刚度变小，水平柔性滑动，阻尼值保持一定值，有效隔震。当特大地震发生而使橡胶垫发生较大的水平变形时，橡胶垫的水平刚度有所提高，对隔震层的水平侧移起限位作用，使结构物在强地震中不致产生过大的水平位移。夹层橡胶垫的这种可变水平刚度特性，是其他隔震装置未能具备的，③具有稳定的弹性复位功能，能在多次地震中自动瞬时复位。④构造简单，安装方便。夹层橡胶垫集水平滑动、阻尼和弹性恢复力等特性于一体，只要从生产厂家购买一定规格和性能要求的 夹层橡胶垫，施工时安装就位即成，不必对多种零件进行复杂的拼装，也不必在施工安装后进行试推检验，在工程应用上比较现实可行。⑤耐久性较好。其抗低周疲劳性能、抗热空气老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性、耐火性均较好，即其长时效的物理和化学稳定性较好，使用寿命可达60～70年以上，这是其他各种隔震装置难以保证的。在国外，已有橡胶垫使用超过100年而保持性能稳定的先例。⑥夹层橡胶垫可安装在不同的标高位置上，并且受建筑物地基不均匀沉降的影响不十分明显。处于不同标高的橡胶垫或房屋地基发生某些币均匀沉降时，夹层橡胶垫仍能正常工作，这是其他多种隔震装置难以达到的。由于夹层橡胶垫具有上述优越性．所以 成为目前我国和世界各国最为成熟、应用最广泛的隔震装置。但是，夹层橡胶垫在工程应用上，存在着下述几个值得注意的问题；①对夹层橡胶垫的生产制造质量的严格要求：一方面，由于夹层橡胶垫是整个建筑结构物的支承构件，它的质量和性能是否符台要求，决定着建筑结构物近百年使用寿命内的安全性。另一方面，它的质量和性能如何，从外观上难以判别，具有浓厚的“质量隐含性”。在隔震技术推广应用过程中，某些生产条件不完备，质量不良，性能未符合要求的夹层橡胶垫，利用其外观上对质量难以判别的“质量隐含性”，“价格低、供货快等市场手段而被采用，使某些隔震房屋结构留下不安全的隐患。所“，对夹层橡胶垫的生产制造和质量，要有非常严格的要求。一方面 生产制造商要有完备的专用生产设备和专业生产线，以及严格的质量监控体系。另一方面，对提供工程应用的夹层橡胶垫产品，要求经历全面严格的材料试验、构件试验、振动台试验以及丰富的实践工程应用经验或地震考验。②隔震结构体系设计的合理性：设计合理性指安全与经济的合理协调统一。过高的安全度会导致隔震结构造价过高，不足的安全度又会影响结构的安全性。所以，如何对夹层橡胶垫隔震结构在设计上进行优化，有待完善。③夹层橡胶垫的安装质量：影响夹层橡胶垫工作的重要因素之一，是橡胶垫安装就位的水平度。如何在确保安装就位水平度的前提下，简化联结构造和施工安装程序，有待在工程应用中不断总结和完善。6、隔震技术的未来发展 夹层橡胶垫隔震技术的成熟以及广泛推广应用，标志着人类住上在强地震中确保安全的房屋的时代的到来。它为人类减轻地震灾害提供了一条更加合理、有效、安垒的新途径，将引起建筑结构耐震技术的变革，是人类耐震技术发展史上一个重要的里程碑。但是，它也仅仅是人类耐震技术发展史上的一个开始，而不应成为其他各种隔震技术发展的限制。隔震技术的未来发展呈现着越来越宽广的前途；①夹层橡胶垫隔震技术，包括隔震装置和隔震体系，仍需不断发展、完善和优化。②其他各种隔震技术，如滑块隔震、滑层隔震、滚球(或滚轴)隔震、柱顶摇摆隔震等，正在不断发展和完善。当其步入较为成熟的阶段，将会得到广泛的应用和发展。 ③混合隔震技术(多种隔震技术的混合应用)，可能成为今后隔震技术发展的新途径。④高新技术智能材料隔震装置的研制开发和成功应用，将会成为隔震技术发展史上新的里程碑。