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              【技术服务】 结构隔震技术

     结构隔震是在建筑物地面以上部分的底部设置隔震层,使之与固结于地基中的基础顶面分开,限制地震动向结构物的传递,如下图所示。地震来临时,地动而上部结构不动。
 
图1 结构隔震示意

    隔震可分无地下室和有地下室两种情况:
    A、无地下室情况


图2 无地下室隔震

    B、有地下室情况
 

图3 有地下室隔震

    目前采用的基底隔震主要用于隔离水平地震作用,隔离层的水平刚度应显著低于上部结构的侧向刚度,这样,延长了结构的地震周期,使结构的加速度大大减小。同时,结构在地震反应过程中大变形主要集中在基底隔震层处,而结构本身的变形很小,此时可近似认为上部结构是一个刚体,从而为建筑物的地震防护提供良好的安全保障。与传统的抗震结构相比,隔震结构具有以下优点:
    (1)提高了地震时结构的安全性及舒适感。根据基底隔震结构在地震中的强震记录和振动台模拟地震试验可知,这种隔震结构的加速度反应是传统的抗震结构的1/4~1/12。
    (2)防止了非结构构件破坏和建筑物内物品的振动、移动和翻倒,在中小地震作用下,隔震结构基本未发生破坏,仍处在弹性阶段;在罕遇大地震作用下,隔震结构仅发生部分破坏或非结构构件破坏,而不致倒塌。上部结构近似于刚体振动。(隔震与不隔震结构的效果对比如下图所示)
 

图4 不隔震与隔震建筑的比较

    (3)降低了房屋结构造价。虽然隔震装置需要增加约5%的造价,但由于地震时上部结构的地震作用大大降低,使上部结构的构件截面、配筋等减少,构造措施和施工简单,隔震结构总造价仍可降低。统计表明:7度区可节省1%~3%;8度区可节省10%~20%。
    (4)结构平立面设计较为灵活。由于上部结构地震作用减少很多,使得对建筑和结构设计时的严格限制大大放宽。
    (5)可以保持仪器和设备的正常使用功能。

    隔震技术要求隔震支座的水平刚度较少,以隔离水平地震动,而隔震垫的竖向刚度应比较大,以避免上部结构的竖向不均匀变形。纯橡胶支座满足水平刚度低的要求,但是不满足竖向变形的限制。而叠层钢板橡胶支座恰巧满足这两点需求,因此在隔震中得到广泛应用,成为目前主要的隔震方式。
 

图5 单纯橡胶支座与加钢板橡胶支座比较

    目前最常用的隔震方式有橡胶隔震支座滑动隔震支座
    1 橡胶隔震支座
    1.1 普通橡胶隔震支座(NRB)

    普通橡胶垫支座由薄橡胶板与薄钢板分层交替叠合在高温、高压下整体硫化而成,橡胶层与钢板紧密结合确保了钢板对橡胶层的变形约束,使其具有较高的纵向受压承载能力和水平变形能力。见图6。
 

图6 普通橡胶隔震支座(NRB)

   1.2 铅芯橡胶隔震支座(LRB)
    铅芯橡胶隔震支座则是在普通橡胶隔震支座中开孔注铅而成,具有较高的阻尼,能有效降低结构的地震作用,减小隔震层的位移。见图7。


图7 铅芯橡胶隔震支座(LRB)

    橡胶隔震支座的生产工艺基本成熟,但在材料性能方面还有改进和提高的空间。隔震橡胶支座的耐久性能取决于橡胶。影响橡胶耐久性能的主要原因是氧化反应和蠕变。在橡胶中掺入抗氧化剂,以及采用耐久性能好的橡胶作防护层,可大大提高隔震橡胶支座的耐久性,目前国内生产的隔震橡胶支座的寿命已与建筑物的寿命相当。
    在建筑隔震设计中很少对橡胶支座进行分析验算,只要求橡胶隔震支座的各项指标满足规范要求,设计人员验算轴向力作用下隔震支座的应力以及变形是否满足限值要求即可。

   2 滑动隔震支座
    滑动隔震在隔震层中设置滑动材料,使基础向上部结构只能传递有限地震作用力,达到保护上部结构的效果。其动力学特点是滑动前整个系统的自振周期与结构周期相同,一旦滑动后,隔震层的刚度为零,整个系统的自振周期变成无穷大,因此滑动隔震能避开任何地震波产生的共振效应。此外,隔震层摩擦力做功能消耗结构的振动能量,增加结构阻尼,降低结构地震反应。比较成熟有滑板式隔震支座和摩擦摆隔震支座。

    2.1 滑板式隔震支座
    滑板式隔震支座的滑移摩擦面一般采用聚四氟乙烯(PTFE,俗称特氟隆)与不锈钢板接触面、不锈钢板与不锈钢板接触面以及石墨、砂垫层接触面等。

 
图8 滑板式隔震支座

    滑板式隔震支座属纯摩擦滑动隔震系统,缺点是隔震层变形较大,且不能自动复位,震后大的变形较难处理。滑移隔震结构由于在支座处上下断开,极易产生倾覆失稳问题,若无附加抗倾覆措施,地震下的抗倾覆力矩只由自重提供。

   2.2 摩擦摆隔震支座
    摩擦摆隔震装置(简称FPS)是一种具有自复位能力的摩擦隔震体系。FPS摩擦摆隔震装置能够有效地延长上部结构的自振周期,减少地震作用对上部结构的影响,上部结构层间位移和加速度大大减少,具有良好的稳定性和限位复位功能,因此不仅可以预防结构的损坏,而且还能够保障结构物内设备及人员的安全,不失为一种有效的隔震消能装置。
 

图9 摩擦摆隔震支座

 
 
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