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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

在雅安地震中，距震中區(qū)10 km處的蘆山縣城地震烈度為8～9度之間，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，很多建筑遭受到不同程度的破壞，而蘆山縣人民醫(yī)院新建成的門診綜合樓卻幾乎完好無損。該建筑為框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計抗震設(shè)防烈度為7度，為澳門特別行政區(qū)援建項目。震后整個建筑的梁、柱、板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本無損，建筑外立面不僅墻面沒有開裂，而且連瓷磚也幾乎沒有脫落，外窗玻璃也未震碎。也就是說，該建筑在7級地震的作用下，不僅整體結(jié)構(gòu)保持完好，而且內(nèi)部裝修、設(shè)備和外部裝修完好無損，在震后照常運(yùn)轉(zhuǎn)，為及時救治傷員發(fā)揮了很大的作用。究其原因，主要是采用了橡膠隔震支座，消耗了大部分的地震能量，才使得上部結(jié)構(gòu)免遭震害。

橡膠隔震支座的基本原理是通過在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置橡膠支座，使得地震作用下建筑物的自振周期能夠延長，可使建筑物在地震作用時的水平加速度降低50%～60%，從而減輕上部結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)，達(dá)到減小震害的目的。通常的做法是在下部結(jié)構(gòu)(基礎(chǔ))與上部結(jié)構(gòu)(主體)之間設(shè)置隔震層來改變結(jié)構(gòu)整體的動力特性。一般地震的振動周期大多在0.1～1 s之間，隔震支座因為水平剛度較小，可延長上部結(jié)構(gòu)的振動周期至3 s以上，使建筑物因地震而產(chǎn)生的加速度反應(yīng)大量減小，從而達(dá)到保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)物的目的。在地震作用下，橡膠片產(chǎn)生彈性變形，通過彈性位移吸收地震作用力，隔震支座中的鋼板層對橡膠層豎向變形起約束作用，使支座具有很高的豎向承載能力，同時又不影響橡膠的水平柔性，使得其有良好的水平變形能力和復(fù)位能力，從而提高建筑物的抗震能力。這種橡膠隔震支座體系在技術(shù)上已經(jīng)基本成熟，應(yīng)用方便，在建筑耗能減震領(lǐng)域前景廣闊。

1 隔震橡膠支座的基本特性

橡膠支座是由若干層薄橡膠板和若干層薄鋼板交替疊合，經(jīng)高溫、高壓硫化而成。目前工程中使用的大部分為扁圓柱體形狀，如圖1所示。

圖1 橡膠支座構(gòu)造

隔震橡膠支座中橡膠層與夾層鋼板緊密粘結(jié)，具有以下特性：

1.1 豎向承載能力特性

橡膠支座能有效地支承上部結(jié)構(gòu)，即使在發(fā)生較大變形的情況下也能正常工作而不發(fā)生失穩(wěn)破壞。隔震橡膠支座中橡膠層與鋼板層緊密粘結(jié)在一起，上部結(jié)構(gòu)自重及使用荷載產(chǎn)生的豎向力傳到支座時，橡膠板產(chǎn)生橫向變形，但同時要受到鋼板層的約束，使得橡膠層處于三向受力的狀態(tài)，而鋼板本身又是一種不可壓縮的材料，使得橡膠支座具有較強(qiáng)的豎向承載力和剛度。工程中常用的橡膠支座的豎向承載力一般在100 MPa以上，考慮到軸壓承載力安全系數(shù)，實際工程中其設(shè)計軸壓應(yīng)力在15 MPa以上，作為建筑物的豎向支承絕對安全。

1.2 水平隔震特性

橡膠支座具有一定的水平剛度和變形能力，通過水平錯動，能延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期，削減地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。建筑物在小震水平力作用時，橡膠支座的初始剛度就可以確保建筑物的安全；在中、強(qiáng)震水平力作用時，橡膠支座的橡膠層產(chǎn)生水平錯動，同時產(chǎn)生內(nèi)摩擦。隨著支座水平變形的增大，水平剛度有所降低。橡膠支座具有的水平力學(xué)性能，能為橡膠支座在正常工作狀態(tài)下提供必要的水平剛度，為上部結(jié)構(gòu)的安全提供了保障。地震發(fā)生時，橡膠支座的水平剛度降低，使得隔震層形成剛度薄弱層，產(chǎn)生較大變形，上部結(jié)構(gòu)同時產(chǎn)生的是平動，而不是普通建筑在地震作用下產(chǎn)生的擺動和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而使得地震對上部結(jié)構(gòu)的效應(yīng)減小。

1.3 復(fù)位特性

橡膠支座具有一定的水平彈性恢復(fù)能力，使隔震結(jié)構(gòu)體系在地震中具有瞬時自動“復(fù)位”功能。地震后，能使上部結(jié)構(gòu)回到原來的狀態(tài)，滿足繼續(xù)使用的要求。

1.4 耐久性

橡膠支座是隔震的關(guān)鍵部件，材料本身必須具有良好的耐久性。橡膠支座的橡膠原料采用耐氧化和耐疲勞的氯丁、天然橡膠或三元乙丙橡膠，鋼板采用精軋不銹鋼板，使之具有很好的耐老化性能和抗疲勞性能。一般民用建筑的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，橡膠支座在合理使用、合理維護(hù)的情況下，其耐久性能應(yīng)至少大于建筑物的設(shè)計基準(zhǔn)期。

2 隔震橡膠支座的制造工藝

2.1 材料的選擇

根據(jù)隔震支座的使用要求，主體材料為性能較好的天然橡膠，應(yīng)滿足以下幾個方面的要求：

(1)橡膠材料的抗撕裂性要好，伸長率要大。

(2)橡膠層與鋼板層的粘合性能要好。

(3)厚度較大的隔震墊需長時間硫化，橡膠不能發(fā)生硫化返原現(xiàn)象。

(4)支座中心的鉛棒純度要高，可以提高橡膠支座早期的剛度，這樣在水平位移下可以起到阻尼的作用。

2.2 橡膠支座的制造工藝

制造工藝是隔震橡膠支座能夠在工程中可靠工作的關(guān)鍵。支座由多層橡膠與多層鋼板疊層組合，經(jīng)各工藝程序制成，能夠滿足較高的力學(xué)性能要求。實際工程中對抗震隔震墊性能的要求高，故其工藝要求特別高，任何一道工序不嚴(yán)謹(jǐn)，都會造成橡膠墊力學(xué)失穩(wěn)，從而失去隔震作用。橡膠支座在工藝方面需要注意以下幾個方面：

(1)產(chǎn)品不能過硫，更不能欠硫。

(2)內(nèi)部膠層的厚度要均勻。

(3)膠層內(nèi)部不能有氣泡，否則會直接影響與鋼板的粘合性。

2.3 產(chǎn)品的制造工藝流程

隔震橡膠支座的制造工藝流程為：圓形膠片涂膠粘劑鋼板→組裝入?！毫蚧赌！锌坠嚆U→測試→裝聯(lián)結(jié)板→檢查→刷保護(hù)層→標(biāo)志→出廠。

3 隔震橡膠支座的安裝

3.1 下埋板的安裝

利用起重設(shè)備將預(yù)埋板吊運(yùn)至設(shè)計部位；在可調(diào)螺栓對應(yīng)的位置放置墊塊。根據(jù)所放軸線及控制線，調(diào)整下埋板位置，偏差須≯5 mm；調(diào)節(jié)可調(diào)螺栓，使下埋板位于同一水平面，并且埋板水平度≯3‰，水平度利用高精度水平尺在雙向同時進(jìn)行檢查；用Φ≮14 mm的短鋼筋將下埋板錨筋與基礎(chǔ)豎向主筋焊接固定；在埋板固定牢固后，旋轉(zhuǎn)可調(diào)螺栓，取出墊塊。將螺栓連接孔用膠帶貼嚴(yán)實，防止混凝土進(jìn)入?；炷翝仓戤?，立即校核下埋板的水平度，如不滿足要求需立即進(jìn)行調(diào)整。

3.2 安裝橡膠支座及上埋板

混凝土澆筑48 h后，用起重設(shè)備將橡膠支座本體吊到固定位置，按照廠吊點(diǎn)(連接板上預(yù)留的吊裝螺孔)安裝吊具，嚴(yán)禁使用連接螺孔起吊，以免對連接螺孔造成損傷；用高強(qiáng)螺栓將連接板牢固地與上、下預(yù)埋板連接，高強(qiáng)螺栓應(yīng)對稱擰緊，擰緊過程分為初擰、復(fù)擰、終擰3個階段，并在同一天完成。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 短期效益分析

據(jù)統(tǒng)計，公共類建筑物設(shè)防烈度每提高1度，將增加造價20%左右，使用隔震技術(shù)將節(jié)約這部分投資。購置隔震裝置的費(fèi)用加上安裝費(fèi)用占總投資的5%左右?？拐鹨?guī)范規(guī)定，采用隔震設(shè)計可以降低烈度，主體結(jié)構(gòu)所承受的地震作用將減小，抗震等級也可能降低，這樣結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸、構(gòu)件的配筋等也將減少，即混凝土和鋼筋用量均隨之減少，降低了結(jié)構(gòu)的造價。同時，在采用隔震支座降低烈度后，建筑物的層數(shù)和高度可能增加，帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益。

據(jù)統(tǒng)計，非公共建筑在9度區(qū)采用隔震設(shè)計工程造價明顯降低；8度區(qū)工程造價略有降低或持平，但結(jié)構(gòu)的可靠度明顯提高；在6度、7度區(qū)采用隔震設(shè)計，工程造價略有增加或持平，但結(jié)構(gòu)的可靠度顯著提高。

4.2 長遠(yuǎn)效益分析

從長遠(yuǎn)的角度分析，即考慮未來該建筑可能遭遇較大地震的情況。傳統(tǒng)的建筑遭遇地震時，其經(jīng)濟(jì)損失包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失兩方面。直接經(jīng)濟(jì)損失是指地震后建筑物損壞需加固維修和重建的費(fèi)用，間接經(jīng)濟(jì)損失是指由地震造成的建筑物、設(shè)備和電力等損壞導(dǎo)致的不能正常工作和生產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。地震所帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失是顯而易見的，而間接經(jīng)濟(jì)損失也是非常巨大的，地震發(fā)生后的間接經(jīng)濟(jì)損失往往大于其直接經(jīng)濟(jì)損失。采用隔震技術(shù)后，建筑物在遭遇較大地震時，建筑及室內(nèi)設(shè)備不損壞或輕微損壞，仍可繼續(xù)工作，從根本上避免或降低了直接經(jīng)濟(jì)損失，同時有效地降低了間接經(jīng)濟(jì)損失。隔震建筑具有傳統(tǒng)抗震建筑無法比擬的經(jīng)濟(jì)效益。

5 隔震橡膠支座的發(fā)展前景

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計理論成熟

橡膠支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)有一套完整的計算理論，專業(yè)人員能夠根據(jù)橡膠支座的設(shè)計承載力、豎向剛度、水平剛度、阻尼比等力學(xué)性能的要求，通過理論計算，確定橡膠支座的有效承載直徑、鋼板厚度、橡膠板厚度、層數(shù)、支座高度等指標(biāo)參數(shù)。

5.2 生產(chǎn)工藝技術(shù)穩(wěn)定

目前，我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)不同物理性能和力學(xué)性能要求的工程橡膠，有成熟的生產(chǎn)工藝和膠料配方，能夠滿足工程使用的要求。

5.3 構(gòu)造簡單，施工方便

橡膠支座是由薄鋼板與薄橡膠板疊合模壓硫化而成，具有支承、復(fù)位、阻尼等功能，結(jié)構(gòu)簡單。安裝時只要按豎向標(biāo)高和平面位置與上下構(gòu)件連接，便能進(jìn)行施工安裝，十分方便。

5.4 應(yīng)用范圍廣泛

隔振技術(shù)對多層和低層建筑物比較合適，在高層建筑中也有應(yīng)用。橡膠支座可安裝在不同標(biāo)高的位置上，并且遇到不均勻沉降時，橡膠支座仍能正常工作。

6 結(jié)語

建筑隔震橡膠支座是集支承、復(fù)位、阻尼等功能于一身的新型隔震裝置，橡膠材料的物理性能、支座的力學(xué)性能等均能達(dá)到工程要求，在豎向與水平地震作用下保持穩(wěn)定。支座設(shè)計理論成熟，安裝操作方便，是一種有效的隔震措施，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但是，目前這種技術(shù)在我國的應(yīng)用還具有一定的局限性，其原因主要是隔震墊價格較高，人們對這種技術(shù)認(rèn)識不夠以及我國建筑的使用壽命較短，隔震墊的綜合效益得不到體現(xiàn)。相信隨著人們對隔震技術(shù)認(rèn)識的不斷提高，橡膠隔震支座將對我國的建筑業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響，其應(yīng)用前景一片光明。

參考文獻(xiàn)：

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