橡胶隔震支座.doc

橡胶隔震支座的特性和应用祁文潭土木工程1015班；学号：1208100501摘要：橡胶材料具有优异的阻尼特性,在工程技术中早已用其作减震制品。根据“基础隔震”概念研发出来的隔震橡胶支座,使传统的、被动的“以刚克刚”的抗震方法,转变为主动的、积极的“以柔克刚”的隔震方法。目前橡胶隔震技术是世界上研究和应用最多、技术成熟并有成效显著实例的隔震技术。橡胶支座是由薄钢板和薄橡胶板交替叠合,经高温、高压硫化而成。本文介绍有关橡胶隔震支座的设计原理、性能特点、使用效果和市场前景。 Abstract: Rubber material has excellent damping properties. In engineering technology，it has long been used for damping products. The rubber support, designed upon the concept of “foundation shock insulation”, has already changed the traditional anti-seismic technology into isolation technology. Rubber bearing isolation technology is not only the most researched and applicated isolation technology by far, but also its the most mature and notable isolation technology. Rubber support is composed of thin steel plates and thin rubber plates, which have already been vulcanized under high temperature and high pressure. This article introduces mainly the design principle, performance feature, using effect and market prospect of rubber isolation support.关键词：基础隔震技术，橡胶隔震支座，竖向荷载，水平荷载，阻尼性能，刚度，位移1. 引言地震是一种突发性自然灾害，其危害远远超过洪水、干旱、台风等灾害。全球平均每年发生可测到的地震次数超过500万次，其中七级以上地震17次，八级以上地震1次。虽然当今科学技术尚不能准确预测地震发生的时间、地点和震级，但人类在与地震灾害作斗争的过程中，不断积累、丰富和发展了有关的知识和技能。近二十几年来，抗震理论研究取得了突破性进展，尤其是基础隔震技术在工程方面的应用，经受了洛杉矶和阪神两次大地震的实地考验，引起了国际社会的普遍关注。2. 隔震理念 基础隔震就是在建筑物底部与基础之间设置隔离层，使上部结构与固结于地基中的基础面分离，阻隔地震波向上部结构的传播，限制输入结构的能量，使输入结构的能量或反馈或被耗能构件吸收，从而大大减小结构的地震反应，保护建筑物的安全。隔震结构体系改变了传统抗震结构体系的耗能原理，即通过隔震层的耗能装置、而不是结构和结构构件来吸收并消耗地震能量，这种优越的耗能特性是传统抗震结构体系所不能够实现的。用橡胶作为基础隔震材料，始于20世纪50年代以来对车辆、机械隔震要求和桥梁支座技术的发展。橡胶支座隔震的基本原理是通过增设橡胶支座, 使整个建筑的自振周期得以延长, 以减轻上部结构的地震反应。其一般做法是在建筑物底部设置橡胶支座, 利用橡胶支座的水平柔性形成一道柔性隔震层, 通过柔性隔震层吸收和耗散地震能量, 阻止并减轻地震能量向上部结构的传递, 最终达到减轻上部结构地震破坏的目的。这种隔震技术不仅可以保证结构的整体安全, 并且能够防止非结构部件的破坏,避免建筑物内部装修、室内设备的损坏以及由此引起的次生灾害。橡胶支座可安装在不同标高的位置上,并且受建筑物地基不均匀沉降的影响不明显,遇到不均匀沉降时,橡胶支座仍能正常工作。就目前情况而言, 橡胶支座隔震是技术应用方便、隔震效果明显的抗震新技术。3. 橡胶隔震支座的一般结构特点和基本特征橡胶支座是由橡胶片和钢片层叠组成的制品。使用时将支座安装于建筑物和基础之间，建筑物施压后橡胶产生的横向变形被钢板约束，形成竖向刚、横向柔的特性。竖向刚确保其有一定的承载力，能稳定支承建筑物的重量；横向柔使之有一定的变形能力，确保建筑物在强震下不会出现失稳现象。支座还要有足够长的耐久性，至少要长于建筑物的设计基准期。为了提高支座的吸能效果，可在普通叠层橡胶支座中部加入铅棒制成铅芯叠层橡胶支座。加入铅棒除能增加支座的阻尼作用外，还能增加支座的早期刚度，对控制风反应和抵抗地基的微震动有利。加入铅棒的直径应根据设计要求通过计算确定。力学性能(1)竖向力学性能要求：叠层橡胶支座当承受竖向荷载时，由于钢板约束橡胶的横向延伸，使橡胶层处于受三向压缩应力的状态，其结果是提高了竖向刚度，较大程度发挥其承载能力。叠层橡胶支座最基本的性能要求是应具有长期承载能力。如果支座总厚度相同，每层橡胶片厚度越薄，层数越多，竖向刚度越大，承载能力就越大；反之，每层橡胶片越厚，层数越少，竖向刚度越小，承载能力就越小。如橡胶支座装有铅芯，它并不承受荷载，不影响支座承载力。(2)水平力学性能要求：叠层橡胶支座在承受竖向荷载P恒定的条件下，在横向荷载Q的作用下产生变形占，当变形率200时，Q一曲线几乎为一直线。变形较大时，刚度随荷载Q增加而提高，Q一曲线呈非线性。横向变形会引起竖向沉降，通常为lmm左右，可忽略不计。支座破坏时的变形能力即为水平极限变形能力。根据中华人民共和国建筑工业行业标准，橡胶支座的竖向和水平力学性能应满足下列要求：(3)拉伸变形：横向变形过大时，支座的橡胶层会产生拉伸应变。与受压状态相比，受拉时的应力一应变曲线呈双线型。拉伸应力在某一数值前表现为弹性；超过这一数值，则表现为屈服；过屈服点后，虽外观未见损伤，但内部由于受拉伸变形作用会产生许多空孔。严重时会出现橡胶层断裂或橡胶钢板界面黏合破坏。破坏时的横向变形超过400。耐久性橡胶材料在使用过程中，在光、热、氧、臭氧和机械应力作用下分子发生断链，性能变坏的过程称之为老化。橡胶支座胶料采用优良的耐热氧化和耐疲劳配方,具有良好的抗大气老化和耐压缩疲劳性能,加上橡胶支座是大体积制品,其内部不易受环境降解作用的影响,本身耐老化性能比较优良。由于叠层橡胶支座放置于建筑物的底部，必须考虑不同地区的气候特点。如南方应考虑耐热性，北方应考虑耐寒性，高原地区应考虑耐紫外线辐射等特点。其耐久性要与建筑设计基准期相符合。国内外通过对橡胶支座及其胶料加速老化试验,以及实际调查和分析,认为橡胶支座中橡胶的老化只涉及周边部分,内部仍保持原形态,蠕变、松驰很小,且逐步趋于一个稳定值,实际使用可达80年以上,可以与建筑物使用寿命同步甚至超过。在国外,已有桥梁橡胶支座使用超过100年而保持性能稳定的先例。因此在正常使用、维护的条件下,完全能满足建筑隔震橡胶支座标准中规定的“具有不少于60 年设计工作寿命”的要求。阻尼性能橡胶是一种具有粘弹性的高分子材料，当它受到交变应力(如地震波)作用时，其分子链段运动要克服阻力，其形状往往滞后于应力变化。这种滞后的结果就能将外力转化为热能，热量的消散就使振动的振幅降低，这一现象称为阻尼。阻尼的大小反映减震效果的大小，用损耗系数来表征。不同种类橡胶有不同的值。一般说在常温下天然橡胶和顺丁橡胶的值较小，丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶、聚氨酯橡胶和硅橡胶的值中等，丁基橡胶和丁睛橡胶的值较大(见表1)。表1橡胶的损耗系数橡 胶损耗系数天然橡胶005015丁苯橡胶015030氯丁橡胶015030丁睛橡胶025040丁基橡胶025040一般说，用于制造隔震支座应选择值高的橡胶。值高的橡胶称之为高滞后橡胶或高阻尼橡胶。虽然天然橡胶值较小，由于它具有良好的力学性能，在低应变区域有高弹性和低滞后损失，生热低，蠕变性能好，还具有较好的耐撕裂、耐曲挠和耐磨性能，同时和钢板还有良好的黏合性能，故被普遍选择用于隔震橡胶支座的生产。4. 生产和安装制造工艺橡胶支座的承载能力、刚度和水平位移等力学性能取决于支座的结构、胶料性能及生产工艺。根据隔震垫的使用要求，主体材料选强伸性能较好的天然橡胶，在配方的设计上须考虑以下几点：（1）橡胶材料的伸长率要大，抗撕裂性好；（2）橡胶与钢板的粘和性要好；（3）针对厚制品需长时间硫化，橡胶应不发生硫化返原现象；（4）中孔的铅棒纯度要高，以提高橡胶垫的早期刚度,而在水平位移下，又具有吸收阻尼性能。隔震橡胶支座的制造工艺是整个研究的重点和难点，它是由多层橡胶与多层钢板叠层组合，经各工艺程序制成的具有很高力学性能要求的产品。由于产品结构复杂，性能要求高， 故对工艺的要求特别高，任何一道工序不严谨，就会造成橡胶垫力学失稳，从而失去隔震作用。在生产过程中应注意：（1）产品不能过硫，更不能欠硫；（2）内部胶层的厚度要均匀；（3）胶层内部不能有气泡，否则会直接影响和钢板的粘接。安装橡胶支座是由薄钢板和薄橡胶板交替叠合经模压硫化而成,中间嵌入铅棒。这是一种集支承、弹性复位及阻尼于一体的隔震部件,结构比较简单。安装时只要备齐上、下连接件(也称预埋件) ,采用法兰或定位连接,并按施工要求的标高定位,便能进行施工安装,十分简便。为了尽量减少意外大地震对支座的破坏，或水平位移过大导致建筑物倒塌，应加设保险装置。JMKelly等人设计了一套摩擦阻尼器，在每个底层大梁底部放一根带摩擦阻尼片的长度和型号一定的钢梁，在钢梁和大梁间留有调整的间隙。一旦位移超出某一限值，或支座滑出乃至破坏时，建筑物便落在该装置上，通过滑动摩擦消耗部分能量使建筑物趋于稳定。当然，这套保险装置只有当地震强度超过设计时才起作用。使用叠层橡胶支座的建筑物，必须建立套完整的定期检查制度。丰要检查支座有无破损和老化现象。如有破损，影响使用时应及时更换。还要注意预留在上部结构与基础之间的位移缝隙不要被堵塞。最好能定期观察建筑物的沉降量，测量支座的竖向变形。在发生火灾、水灾等意外灾害时，应及时检查支座，确保其使用功能。5. 市场前景隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加价值，因此与以往建筑物比较时，应考虑附加价值进行综合评价。在考虑隔震建筑的造价时，不仅要考虑初始造价，如果从包括建筑物在使用阶段的维修、重建、内部物品的损坏和经济损失来考虑，隔震建筑具有很好的经济性。我们生活的地球正处于地震高发期，地震未来时人们往往存在侥幸心理，防震减灾意识淡薄；地震发生时，由于疏于防范造成生命财产的巨大损失。目前我国城市建设发展速度极快，如果不考虑抗震，强烈地震袭来，几十年建设的成果和人民的生命财产将毁于一旦。过去我们普遍的观点是在国家要害部门如政府机关、银行、医院和学校等建筑要考虑抗御地震；现在看来，在所有人居住和活动的地方建筑物都要考虑抗御地震。近十几年来几次大地震把叠层橡胶支座推上十分抢眼的位置。日本的例子非常典型：在1995年阪神大地震前十二年，全国安装叠层橡胶支座的建筑工程总共不过79例，地震当年新增87例，第二年猛增至217例。通过国内外几次大地震考验，叠层橡胶支座的研究开发和生产使用大大促进，今后在建筑物和桥梁建设中将大规模使用叠层橡胶支座。6. 结束语 本文对橡胶隔震支座的力学性能和实用性能进行了初步的探讨，并展望了橡胶隔震支座的发展前景。与传统的抗震技术相比，隔震技术的抗震安全性更高，抗震效果也更好。从世界范围来看,尤其在日本、美国、新西兰等发达国家, 隔震技术的应用比较成熟。这些国家已制定了相应的隔震规范和规程, 并已进行了一定时期、一定规模的应用, 积累了相当的技术规模。目前橡胶隔震支座的生产工艺、形状、材料、压力等性能有待继续研究。参考文献：（1）吕百龄，抗地震橡胶支座，实用橡胶手册，p10671076，化学工业出版社，2001年7月（2）日本免震构造物协会编，图解隔震结构入门，叶列平译，科学出版社，1998年（3）冯德