三维隔震支座的研究现状

三维隔震支座的研究现状

陈宇

（广州大学土木工程学院，广东 广州，510006）

摘要：本文全面回顾了国内外建筑三维隔震研究现状，例如金属线缆空气弹簧三维隔震装置、液压三维隔震装置、 空气弹簧橡胶垫三维隔震装置、叠层橡胶—碟形弹簧三维隔震装置、智能三维隔震系统等典型的独立式和组合式三维隔震装置等，并对其构造及原理进行了综合分析; 在此基础上，对建筑三维隔震理论研究的新进展进行了梳理和总结，并对国内外典型的三维隔震建筑工程案例进行了分析; 最后总结了建筑三维隔震研究现存的几个主要问题并给出相关建议，给读者提供一个了解三维隔震装置发展的途径。

关键词：三维隔震支座；隔震效果；研究现状；

引  言

基础隔震作为建筑减振控制的一项先进技术，其通过在基础与上部结构间设置隔震支座和耗能元件形成高阻尼特性的隔震层，隔离地震能量向上传递，延长建筑结构的自振周期，减小共振效应，同时利用耗能元件消耗输入结构的地震能量，从而有效减小结构的地震反应，避免结构在地震中发生破坏。目前，建筑隔震一般只考虑水平隔震，不考虑竖向隔震。叠层橡胶支座、摩擦滑移支座等工程中常用的隔震支座具有良好的水平隔震效果，但不具有竖向隔震功能。然而，在高烈度区，尤其在近断层地区，地震动的竖向作用分量往往比较强烈，甚至超过水平地震作用分量，成为导致结构倒塌破坏的主要原因。自20世纪80年代以来，国内外不少学者对建筑三维隔震技术进行了大量的分析和研究，取得了一定的成果,并且还完成了预测隔震性能的模型的建立。

1 隔震支座的工作原理

隔震是一种将结构的基本自然周期转换为长周期范围的技术，通过在开放式建筑基础上放置水平柔性隔震装置，将结构与地面物理解耦，将结构的基本自然周期转换为2到4秒。对于地震激励，与等效的非隔震结构相比，该周期变化转化为对上部结构的楼板加速度和层间位移需求的降低。减少的需求允许上部结构在设计水平事件后保持弹性或接近弹性。

橡胶总厚度（Tr）提供了延长系统基本自然周期所需的低水平刚度，而中间钢垫板的紧密间距为给定的G和粘合橡胶面积（Ab）提供了大的垂直刚度和临界载荷能力。然而，钢垫板对轴承的水平刚度没有影响，计算公式为：

其中S是形状系数，是一个无量纲几何参数，为单个橡胶层定义为：

2  三维隔震支座的发展与研究现状

地震震动是影响不同结构的最关键问题之一。地震引起的结构加速度和力比仅由静荷载产生的加速度和力大得多；因此，采用隔震系统来缓解这种影响。地震隔离提供了一个灵活的接口，将结构与地面分离。通常，柔性隔离器通过延长结构周期来衰减地震引起的加速度和力。由于周期延长而增加的位移需求由隔离装置进行调节。几项研究检验了基础隔震结构的抗震可靠性和寿命周期成本分析。这些分析结果表明，隔震系统通常能显著提高整体系统可靠性[15][16][17]并降低寿命周期成本[18][19][20]。

Furukawa[21]测试四层基础隔震钢筋混凝土建筑。试验表明，在某些情况下，在带有橡胶隔震支座的建筑物中，垂直加速度相对于地面显著放大。损伤完全归因于较大的垂直输入加速度，因为水平结构加速度被限制在相对较低的水平。这两项试验都表明，垂直激励强度对非结构成分和内容有很大影响。

国外研究人员最早在20世纪60年代就开始了对建筑三维隔震技术的探索。1969年，Seigenthaler[1]在南斯拉夫斯考比市柏斯坦劳奇小学的震后修复工程中,使用天然厚橡胶块对教学楼进行加固,标志着现代建筑隔震的开始。

EIGO KATO[41]、Kashiwazaki等人对用于垂直隔离的液压系统进行了操作和测试，该系统也与层压橡胶支座串联。液压系统由充满氮气的承载液压缸组成，其波动压力可通过连接的蓄能器装置传递到液压缸。

2003年，日本能源工程师Y asuo OKADA[2]已经开发了三维隔震装置，用于核反应堆厂房等重型建筑的基础隔震系统。该装置是由叠层橡胶支座作为水平隔震装置和滚动密封式空气弹簧作为垂直隔震装置串联而成的三维隔震装置。并且建立了1／10比例尺的三维隔震装置简化模型，考察了隔震装置在水平和垂直动荷载作用下的工作性能。

2004年，Mitsuru KAGEYAMA[3]根据日本在三维隔震方面的发现趋势，发现在电厂的设备或管道设计中，对地震条件的要求比以前要低得多。从而提出了适用于整个建筑的最高级三维基础隔震系统。近几年，秦华汉还提出一种新型空气弹簧-摩擦摆系统（FPS）三维隔震支座，由一个用于水平隔震的FPS和一个用于垂直隔震的空气弹簧组成。

同年Takahiro Shimada提出了一种新的三维隔震系统来解决上述问题。该系统由一组与含有压缩气体的蓄能器单元相连的液压承载气缸、一组串联的摇摆抑制气缸和一个铺设在每个承载气缸下的层压橡胶轴承组成。同时，Masaru KIKUCHI、艮谷部雅伸改进了结构分析计算机程序DAC3N。该程序的增强功能使其成为实用设计目的的有效工具。大大提高了隔震结构地震反应预测的准确性。

 Takahiro Shimada和Junji Suhara 根据空气弹簧的三维隔震原理，进行了改造和创新。评估了带有滚动密封式空气弹簧和液压摇摆抑制装置的三维基础隔震系统的性能。制作了1/7比例的3D基座隔离装置模型，并对每个装置进行了一些性能测试。对于滚动密封型空气弹簧，使用振动台进行动态加载试验，并对加强型空气弹簧进行耐压能力试验。在动载试验中，验证了其固有周期和阻尼性能。在耐压能力试验中，确认空气弹簧具有足够的强度。对于液压摇摆抑制系统，进行了强制动态加载试验，以测量每个气缸上的摩擦力和油流阻力。

19. Mori, J. Suhara和T. Tomizawa分别对采用三维抗震基础隔震系统的赤穗坎竣工工程进行了仿真和振动测试，该建筑的三维隔震装置同样是用于水平隔震的叠层橡胶支座和用于垂直隔震的空气弹簧。确认了针对垂直和摇摆地震运动的隔震效果。

朱秀云]等为了研究三维基础隔震系统在核电厂中的应用，对三维组合隔震支座（3D-CIB）的结构和设计理论进行了综合分析。设计了四种不同的3D-CIB垂直刚度，以隔离核岛（NI）建筑。Arcan Yanik[13]、Mohammad Izadi、李雄燕等学者提出了新一代的三维隔震支座3DSIB。Xu, Z. D.设计了一种新的多维地震隔离和减震装置，用于保护大跨度网状结构在强震作用下的安全。该装置由一个粘弹性支座和几个粘弹性阻尼器组成。由于力-位移滞回环被观察为完全光滑的椭圆，因此提议的装置提供了大量的能量耗散。

Gyeong-Hoi Koo根据碟形弹簧或螺旋弹簧用于垂直刚度设计，确定垂直隔震装置的垂直隔震频率（VIF），钢阻尼器用于控制垂直相对位移的垂直地震能量耗散。Zhou等人研究了几种垂直和三维隔离系统的动态性能，这些系统可能应用于现代核设施。垂直周期（TV）=0的隔离系统。研究的核电厂模型，可有效降低结构的垂直响应。此外，周得出结论，当TV增加到1.0秒时，摇摆效应明显，垂直轴承位移至少与TV=2.3秒时的水平位移一样大。

阻尼对于隔震装置来说至关重要。大多数三维隔离系统使用高阻尼铅芯或额外的油阻尼器来提供阻尼。在该系统中，HCC可以用作材料中的填料，这可以增加其产品的体积，从而降低成本。沥青的类似应用也可以在其他低成本隔离系统中找到。然而，添加HCC是否会影响沥青的阻尼性能尚不清楚。因此，有必要研究HCC改性沥青的阻尼性能以及低成本隔震支座的阻尼效果。

为了验证阻尼装置的有效性，尚寿平基于多维振动台试验进行了模态分析。结果表明：沥青的滞回曲线呈椭圆形，表现出粘弹性材料的特性；阻尼特性与加载频率正相关，与温度和位移负相关；沥青可以提供足够的阻尼，并将上部结构的位移减少近一半。在试验结果的基础上，对多维输入下的模态信息进行了分析。

参考文献：

[1]艮谷部雅伸·大山巧.七三廿型浮体式免震l造物在对象匕u三次元地震庵答解析.

[2]正松久竟.Three Dimensional Seismic Isolator Considering the Transfer Function of Buildings.Dynamics &Design Conference.

[3]正宇津野秀夫.Three Dimensional Semi-active Seismic Isolation and Vibration Suppressing Table.Dynamics &Design Conference.