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              【技術服務】 結構隔震技術

     結構隔震是在建筑物地面以上部分的底部設置隔震層,使之與固結于地基中的基礎頂面分開,限制地震動向結構物的傳遞,如下圖所示。地震來臨時,地動而上部結構不動。
 
圖1 結構隔震示意

    隔震可分無地下室和有地下室兩種情況:
    A、無地下室情況


圖2 無地下室隔震

    B、有地下室情況
 

圖3 有地下室隔震

    目前采用的基底隔震主要用于隔離水平地震作用,隔離層的水平剛度應顯著低于上部結構的側向剛度,這樣,延長了結構的地震周期,使結構的加速度大大減小。同時,結構在地震反應過程中大變形主要集中在基底隔震層處,而結構本身的變形很小,此時可近似認為上部結構是一個剛體,從而為建筑物的地震防護提供良好的安全保障。與傳統的抗震結構相比,隔震結構具有以下優點:
    (1)提高了地震時結構的安全性及舒適感。根據基底隔震結構在地震中的強震記錄和振動臺模擬地震試驗可知,這種隔震結構的加速度反應是傳統的抗震結構的1/4~1/12。
    (2)防止了非結構構件破壞和建筑物內物品的振動、移動和翻倒,在中小地震作用下,隔震結構基本未發生破壞,仍處在彈性階段;在罕遇大地震作用下,隔震結構僅發生部分破壞或非結構構件破壞,而不致倒塌。上部結構近似于剛體振動。(隔震與不隔震結構的效果對比如下圖所示)
 

圖4 不隔震與隔震建筑的比較

    (3)降低了房屋結構造價。雖然隔震裝置需要增加約5%的造價,但由于地震時上部結構的地震作用大大降低,使上部結構的構件截面、配筋等減少,構造措施和施工簡單,隔震結構總造價仍可降低。統計表明:7度區可節省1%~3%;8度區可節省10%~20%。
    (4)結構平立面設計較為靈活。由于上部結構地震作用減少很多,使得對建筑和結構設計時的嚴格限制大大放寬。
    (5)可以保持儀器和設備的正常使用功能。

    隔震技術要求隔震支座的水平剛度較少,以隔離水平地震動,而隔震墊的豎向剛度應比較大,以避免上部結構的豎向不均勻變形。純橡膠支座滿足水平剛度低的要求,但是不滿足豎向變形的限制。而疊層鋼板橡膠支座恰巧滿足這兩點需求,因此在隔震中得到廣泛應用,成為目前主要的隔震方式。
 

圖5 單純橡膠支座與加鋼板橡膠支座比較

    目前最常用的隔震方式有橡膠隔震支座滑動隔震支座。
    1 橡膠隔震支座
    1.1 普通橡膠隔震支座(NRB)

    普通橡膠墊支座由薄橡膠板與薄鋼板分層交替疊合在高溫、高壓下整體硫化而成,橡膠層與鋼板緊密結合確保了鋼板對橡膠層的變形約束,使其具有較高的縱向受壓承載能力和水平變形能力。見圖6。
 

圖6 普通橡膠隔震支座(NRB)

   1.2 鉛芯橡膠隔震支座(LRB)
    鉛芯橡膠隔震支座則是在普通橡膠隔震支座中開孔注鉛而成,具有較高的阻尼,能有效降低結構的地震作用,減小隔震層的位移。見圖7。


圖7 鉛芯橡膠隔震支座(LRB)

    橡膠隔震支座的生產工藝基本成熟,但在材料性能方面還有改進和提高的空間。隔震橡膠支座的耐久性能取決于橡膠。影響橡膠耐久性能的主要原因是氧化反應和蠕變。在橡膠中摻入抗氧化劑,以及采用耐久性能好的橡膠作防護層,可大大提高隔震橡膠支座的耐久性,目前國內生產的隔震橡膠支座的壽命已與建筑物的壽命相當。
    在建筑隔震設計中很少對橡膠支座進行分析驗算,只要求橡膠隔震支座的各項指標滿足規范要求,設計人員驗算軸向力作用下隔震支座的應力以及變形是否滿足限值要求即可。

   2 滑動隔震支座
    滑動隔震在隔震層中設置滑動材料,使基礎向上部結構只能傳遞有限地震作用力,達到保護上部結構的效果。其動力學特點是滑動前整個系統的自振周期與結構周期相同,一旦滑動后,隔震層的剛度為零,整個系統的自振周期變成無窮大,因此滑動隔震能避開任何地震波產生的共振效應。此外,隔震層摩擦力做功能消耗結構的振動能量,增加結構阻尼,降低結構地震反應。比較成熟有滑板式隔震支座和摩擦擺隔震支座。

    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,俗稱特氟。┡c不銹鋼板接觸面、不銹鋼板與不銹鋼板接觸面以及石墨、砂墊層接觸面等。

 
圖8 滑板式隔震支座

    滑板式隔震支座屬純摩擦滑動隔震系統,缺點是隔震層變形較大,且不能自動復位,震后大的變形較難處理;聘粽鸾Y構由于在支座處上下斷開,極易產生傾覆失穩問題,若無附加抗傾覆措施,地震下的抗傾覆力矩只由自重提供。

   2.2 摩擦擺隔震支座
    摩擦擺隔震裝置(簡稱FPS)是一種具有自復位能力的摩擦隔震體系。FPS摩擦擺隔震裝置能夠有效地延長上部結構的自振周期,減少地震作用對上部結構的影響,上部結構層間位移和加速度大大減少,具有良好的穩定性和限位復位功能,因此不僅可以預防結構的損壞,而且還能夠保障結構物內設備及人員的安全,不失為一種有效的隔震消能裝置。
 

圖9 摩擦擺隔震支座

 
 
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