浅谈橡胶隔震支座力学性能

吴子瀛

苏交科集团股份有限公司 地下空间与建筑所 江苏 南京 211100

传统的抗震设计往往通过增加自身强度和变形来进行抗震设计，在地震时依靠自身的塑形变形以抵御地震作用，最终以结构和设备的破坏来吸收能量。在强震作用下，这种“杀敌一千，自损八百”的方式虽然能够满足“三阶段，两水准”的设计标准，但是震后维修的费用将是巨大的。尤其是对于生命线工程，因为设备损坏而造成建筑物不能正常运行所带来的损失也是不容乐观。对此，区别于传统的“硬抗”，通过阻止地震作用向上部结构传递的隔震技术应运而生，由于具有概念明确、效果明显、经济效益显著等特点，目前已经愈发广泛地在工程中得到运用。

1 橡胶垫隔震支座的种类

目前，隔震支座从组成上主要分为四大类： 橡胶隔震支座、滑动隔震支座、复合型隔震支座和其他隔震支座。其中，橡胶隔震支座应用最为广泛。这是一种由多层橡胶和多层钢板或其他材料交替叠置结合而成的隔震装置，可按中孔是否有插芯分为普通型和有芯型两种。其中，无芯型一般是指叠层橡胶支座，有芯型一般是指铅锌橡胶支座。此外，为了能够更好地延长结构周期，还有高阻尼橡胶隔震支座。

2 橡胶垫隔震支座的力学性能

2.1 竖向性能

在地震发生时，传统观点认为，水平地震力对结构的破坏起决定性作用，因此，近年来水平隔震技术的研究和应用日趋广泛，新的隔震体系不断得到开发和应用。相对于水平隔震技术，竖向隔震的发展相对缓慢。但是在近几十年的地震中，研究人员观察发现在震中和发震断层附近产生较强的竖向地震动，其中一些竖向地震动的加速度峰值超过水平地震动。此外，在高层建筑隔震中，倾覆效应使得隔震支座轴力变化大，而且存在进入拉伸状态的可能性。因此，研究隔震支座竖向力学性能显得尤为重要。

2.1.1 竖向极限压应力

最新抗震规范规定了橡胶隔震支座的设计压应力取值，即根据Haringx弹性理论，按稳定要求，以压缩荷载下叠层水平刚度为零的压应力作为屈服应力σcr，该值取决于橡胶硬度、钢板厚度与橡胶厚度的比值、第一形状系数S1（橡胶支座中各层橡胶的有效承压面积与其自由表面积之比）、第二形状系数（橡胶支座有效承压体的直径与橡胶总厚度之比）有关。科研人员通过对不同形状系数，不同硬度的橡胶支座进行试验，发现最小的屈服应力值为34N/mm2。考虑在地震作用下发生剪切变形，取容许变形为0.55倍的支座直径，则丙类建筑压应力设计值为文献中也提到橡胶隔震支座的设计压应力通常取。若第二形状系数减小或者建筑物的重要性增加，则最大压应力限值将适当减小。

2.1.2 竖向刚度

刘文光提出了利用刚度因子简化表达式计算橡胶支座竖向刚度，并且适用于叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座。随着第一形状系数和剪切模量的增加，支座竖向刚度将会增大，并且试验数据与理论值非常接近。此外，还进行了在剪切变形下竖向刚度的测试，发现随着剪切应变的增加，竖向刚度将会减小。因此该文章建议：在全面评价橡胶隔震支座特性,以及在进行橡胶隔震支座产品开发时，除进行零剪切变形的竖向刚度试验外，宜增加剪切变形100%、200%和300%时的竖向刚度特性进行评价。目前在橡胶隔震支座的相关参数中，会专门说明在达到一定剪切变形下的刚度和阻尼比。

2.1.3 拉伸性能

高层建筑高宽比较大，在地震时倾覆效应显著，易使隔震支座出现拉应力，而普遍使用的叠层橡胶支座抗拉能力不强，在受拉后橡胶内部会有损伤，从而降低了弹性性能。朱宏平等也指出，目前在高层建筑隔震中存在的一大疑点就是隔震支座的抗拉性能是否满足要求。最新的抗震规范中规定了隔震支座拉应比起文献中建议的拉应力更为严格，可见在设计隔震建筑尤其是高层建筑时要特别关注隔震支座的受拉问题。

2.2 水平性能

橡胶隔震支座的水平性能包括水平刚度和阻尼比。结合隔震结构的原理，隔震支座的水平刚度越小，自振周期越大，隔震效果就越好，从而使上部结构的反应减小。而隔震结构在地震作用下隔震层的位移较大，容易产生倾覆力，该倾覆力会使支座的竖向荷载不断变化，最终有可能导致支座压屈。因此，进行隔震结构的抗震分析时需要考虑耦联效应，这也是研究橡胶支座水平性能以及建立力学模型时的一大困难。对此，研究人员通过控制竖向承载力和剪应变对不同类型橡胶隔震支座的水平性能进行了试验。

2.3 耐久性

建筑物的使用寿命一般大于50年，在漫长的使用期内，橡胶材料因受到温度、空气及水分等因素的影响而发生表面硬化、软化、裂纹等老化现象从而改变橡胶支座的力学性能。目前对橡胶支座耐久性的研究主要是对橡胶老化后以及在温度变化情况下力学性能的测试。试验的方法主要通过劣化试验中的人工加速劣化，即：使试样在常压和规定的热空气作用下,经过一段时间后侧定其物理机械性能的变化，其理论依据为WISE等用 Arrhenius 理论建立的在热老化条件下加速老化与实际老化速度之间的关系，目前国内外大多采用该方法预测橡胶寿命。最新抗震规范对于隔震支座力学性能测试所允许的设计值与试验值之间的偏差为20%。

3 小结

本文简要地叙述了目前国内外对于隔震支座力学性能的研究成果，随着近几年地震的频繁发生，隔震技术将会得到更为广泛的应用。