隔震支座原理及设计说明

隔震支座原理及设计说明

王成肖

丰泽智能装备股份有限公司 河北省衡水市  053000

我国有41%的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地区，在这些地方建设桥梁或者建筑比如学校、幼儿园、医院、应急避难场所等的时候，我们都需要把抗震或者隔震技术运用当中。传统的建筑一般采用的是抗震技术，即要求建筑本身有很好的抗震能力，在发生地震的时候能够坚固不倒塌。但是这就造成了建筑物本身的成本很高，并且一旦出现地震，这些建筑物 即使没有出现倒塌现象，但是也会造成一定程度的裂纹或者断裂。所以减震技术现在越来越引起人们的研究。尤其是2008年汶川地震发生之后，减隔震技术得到了快速的发展。隔震、减震技术是通过隔离或者消耗地震能量的方式，从而达到以柔克刚的抗震效果。隔震支座就是能满足这些减隔震要求的载体。本文通过对隔震支座的研究，通过运用材料力学和机械加工对隔震支座进行设计，来设计出在地震发生时能实现较大的位移且生产过程较容易的产品。

隔震橡胶支座的作用就是隔震。简单来讲，就是在设计建筑物时，我们将建筑物分为两个部分进行设计，一个是建筑物的上部结构，一个是建筑物的下部结构，而连接建筑物上下结构的就是我们的隔震橡胶支座。这一方面是我们设计的基础隔震，另一方面上部结构也会因为隔震橡胶支座的减震功能而减少破坏。我们在放置隔震橡胶支座的时候，一般是在建筑物的上部结构与下部结构之间设立一层隔震层，即上部结构和下部结构是独立的，分开的，我们用锚筋套筒等锚固的方式使隔震橡胶支座连接起建筑物的上部结构和下部结构。当地震到来时，地震波首先传到的是建筑物的下部结构，下部结构会产生位移，产生的位移会带动隔震橡胶支座的位移，因为隔震橡胶支座具有变形的功能，从而减少了地震的能量，阻隔地震波向上部结构的传播。地震的能量被隔震橡胶支座的耗能结构所吸收，使上部结构的没有过多的地震能量的传入，所以就大大的减少了上部结构的地震反应，从而虽然发生了地震，但是上部结构并没有发生破坏或者产生多大的位移。因为隔震层刚度小，柔性相对较强，当地震发生时基础隔震层就起到了“隔”的作用，已经代替上部结构承受地震强烈的位移动力，并且将地震能力消耗掉，建筑物的上部结构接受不到或者只接受了少量的地震能量。基于这样的结构设计，从而“隔离”了地震的作用。并且当地震发生时，短时间内产生的突变性的较大的位移也是由隔震橡胶支座来承受的，因为他的阻尼性，而是隔震橡胶支座的下连接板发生位移，而上连接板并没有跟着做相对的位移，从而保证了建筑物上部结构本身没有多大的位移。这种设计结构有效的保障了建筑物内的人员和物品的安全性，减少了地震灾害。

隔震技术主要就是在建筑物的下部结构安装消能装置，这样我们就将建筑物的主体结构和下部结构隔成了两部分。当地震发生的时候，首先是下部的隔震消能装置起到了吸收和转化地震能量的作用，从而减轻了建筑结构物的地震反应。这样就可以在地震发生的时候，建筑物本身不会发生很严重的破坏的。目前，消能装置有很多种，叠层橡胶支座是最有效的隔震技术之一，是目前尚实施比较多，并且技术也比较成熟的种类。

隔震橡胶支座的支座本体是由多层橡胶和多层加劲钢板叠合整体硫化而成的。隔震橡胶支座的支座本体就是承载着建筑物的重量及水平位移的功能。橡胶在受到水平力进行水平方向的剪切变形时，依靠橡胶材料的弹性变形吸收地震的能量。橡胶支座本体的变形时通过上下连接板进行传递。隔震橡胶支座是做为一个建筑物的结构件与建筑物的柱或者梁一起承受着各种荷载和轻微地震。对应不同建筑、桥梁的要求，隔震橡胶支座可以有不同的叠层结构、制造工艺和配方设计，以满足所需要的竖向刚度、水平位移、等性能要求，并保证具有不少于60年的使用寿命。同时，应用于工程的建筑隔震橡胶支座的结构设计应满足国家和行业相关规范，规程和标准的要求。

隔震橡胶支座设计时需要给出隔震橡胶支座能提供怎样的性能，而性能的确定就需要我们根据场地的情况来确定。第一，要根据所在地区查到该地区的地震烈度，以及我们想建这个建筑物需要达到的抗震等级及想要达到怎么的隔震效果。我国各地区抗震参数详见《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[5]附录A。确定建筑隔震的重要参数后进一步进行隔震体系设计。第二，根据所在地区资料，对以下指标进行汇总：抗震烈度，场地类型，地震波加速度峰值：包括多遇地震时加速度峰值以及罕遇地震时加速度峰值。第三，设计隔震技术需要达到的效果：降低多少地震响应，在风载或者微小地震下产生的微小震动时，支座所需要达到的效果。当以上三步都确定好之后，我们可以大致得出一个参数，需要隔震橡胶支座提供怎样的水平刚度，水平位移，竖向刚度等参数。

隔震支座有不同的结构和分类。在隔震橡胶支座参数进行确定之后，我们要将这些参数转化成隔震橡胶支座的结构。这些参数包括竖向承载力，竖向刚度，水平刚度，水平位移，支座高度，支座安装空间等。根据这些参数我们进行计算，确定建筑物的建筑等级，根据建筑物等级来确定隔震橡胶支座的面压。面压的确定后可以通过竖向承载力来得出支座的规格大小。支座规格确定之后，根据参数中的竖向刚度和水平刚度，水平位移等来确定内部加劲钢板和橡胶层的厚度和层数。根据安装空间确定连接板的外形尺寸。通过参数我们已经设计出了隔震橡胶支座的结构。

支座设计性能要求见表1。

表1 支座设计性能要求

单层橡胶厚度tr：3mm，橡胶层总厚度Tr：39mm，内部钢板的外部直径为d0：500mm。

第一形状系数S1：

S1=

S1===41.6625，符合设计要求。

第二形状系数S2：

S2=

S2===12.825，符合设计要求。

式中：

d0—内部钢板的有效直径，单位毫米(mm)

内部钢板的有效直径d0：500 mm，

支座基准面压fy: 12 MPa。

支座竖向载荷P0= = =2943750 N≈2900 kN

100%剪应变的情况下，水平等效刚度Keff计算：

Keff==2.01kN/mm符合设计要求。

式中：

G—橡胶剪切模量，取0.4，单位MPa；

Ar—支座的有效承压面积；

Tr—橡胶层总厚度。

竖向刚度Kv计算：

为支座内部钢板面积；

    Ec为修正压缩弹性模量：

式中为橡胶的弹性模量，取2.0MPa；为弹性模量修正系数，取0.8；为第一形状系数41.66。

=

式中为橡胶体积弹性模量，取2000 MPa。

=

  竖向刚度:

  符合设计要求。

支座内部钢板材质为Q345B，由于标准更新GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》，Q345B牌号变更为Q355B,抗拉强度为470—630 MPa。

支座内部钢板强度计算：

式中：为内部钢板计算拉应力；

为应力修整系数，取值1；

支座承载力，按12MPa取值为2900kN；

单层胶层厚度，取3 mm；

内部钢板厚度，取2 mm；

为支座内部钢板受竖向荷载面积。

=186352 mm2

   因为在产生位移的时候，支座会直接滑动，所以支座不会有很大的水平位移变形。根据GB 20688.5-2.14标准上的设计要求，支座滑移时剪应变不要超过50%，以上的支座钢板是在剪应变为50%的情况下加劲钢板所受到的力。符合设计要求。