隔震结构体系的原理分析

隔震结构体系的原理分析
摘要：随着国民经济的不断发展，建筑抗震设计的要求也不断提高，各种耗
能减震技术的应用也越来越广泛。

隔震结构体系通过在结构的底部和基础之间设
置一个柔性的隔震层来耗散地震能量。

隔震层的设置，显著地降低了地震动的作用，很好地控制了地震作用下的结构响应，提高了建筑物的抗震性能。

关键词：隔震结构体系；耗能减震技术；隔震层；叠层橡胶支座；摩擦隔震
系统
1.隔震结构体系的基本原理
隔震结构体系主要有三个部分组成：一是上部结构，二是隔震层，三是下部
结构。

隔震层主要包括耗能元件和隔震元件，这两种元件的变形能力强，水平刚
度小于上部结构的刚度，因此，结构的基本周期将被延长，和场地的卓越周期相
互错开，从而使结构的地震作用效应大大减小。

隔震元件赋予了结构在基础面上做柔性滑动的能力，可延长结构的固有周期。

阻尼元件则给隔震层提供耗能能力，且自身拥有合适的刚度，防止结构在风荷载
和地震的作用下产生较大位移。

为了使结构拥有优良的的减震能力，同时又可满足正常使用情况下的变形条件，隔震结构体系需拥有下面的基本特性：
（1）承载特性：隔震装置需要具备足够的竖向承载力，确保建筑在日常的
使用状况下可以正常地支承上部结构的荷载。

（2）隔震特性：隔震装置在较低的水平作用下，即普通风荷载或者小震情
况下，拥有合适的弹性刚度，用于满足日常的使用要求。

当承受较大的水平作用时，即大震情况下，允许隔着装置产生一定量的柔性滑动，让结构体系进入耗能
状态。

（3）复位特性：隔震装置需要具备一定的弹性恢复力，从而让上部结构和
隔震装置在地震作用下具可以自动复位，降低震后的修复工作量。

（4）阻尼特性：隔震装置需要具有良好的耗能能力。

在地震作用下，隔震结构体系的整体表现如下：因设置了水平刚度显著小于
上部结构的隔震装置，上部结构的水平变形为整体平动，即在地震下上部结构依
然保持弹性状态。

2叠层橡胶支座
叠层橡胶支座由交错叠合的钢板层和橡胶层组成，钢板层可约束橡胶层水平
变形，因此，橡胶支座在竖直方向上拥有足够的承载力和刚度，同时在水平方向
上其刚度较小，具备延长结构固有周期的效果。

叠层橡胶支座一般有以下几种常用的类型：普通叠层橡胶支座、高阻尼叠层
橡胶支座和铅芯叠层橡胶支座等。

2.1普通叠层橡胶支座
2.1.1工作原理
普通叠层橡胶支座是由多层较薄的橡胶板和钢板在高温高压下硫化成型而成。

在正常使用情况下，其水平向的恢复力特性是直线型；而在大变形范围时，其水
平刚度会随荷载的增大而增大，且在后期显现硬化现象，具有一定的保护和限制
作用，可以防止结构变形过大。

不足的是普通叠层橡胶支座在荷载较小时，刚度
过小，这使结构在风荷载或者小震下不利，所以，通常会附加合适的阻尼装置，
让支座在在正常使用情况下的刚度得到强化。

2.1.2优缺点
（1）优点：一是能够显著降低结构地震作用，可抑制结构的高阶振型反应；二是其滞回特性与位移时程几乎无关，具有稳定弹性性能，力学模型简单。

（2）缺点：一是橡胶提供的耗能能力有限，易使隔震层变形较大从而导致支座出现失稳现象；二是滞回环面积小，阻尼特性欠佳；三是大震情况下隔震支座的位移较大。

2.2高阻尼叠层橡胶支座
2.2.1工作原理
在构造上，高阻尼叠层橡胶支座与普通橡胶支座相似。

主要区别在于高阻尼橡胶隔震支座采用性能更优的人工合成橡胶，即在橡胶材料中添加了一系列高阻尼材料，改变其分子结构，使其黏性和刚度变大，从而获得了较好的耗能能力。

2.2.2优缺点
（1）优点：具备高阻尼，耗能能力佳，滞回曲线饱满。

（2）缺点：一是因聚合物的添加，橡胶内部材料呈现不均匀性，在动荷载下，橡胶的内部材料会发生细微损伤，使支座失去了一定的刚度，其耗能特性也随之降低；二是滞回曲线具有非线性、粘弹性和塑性等特征，力学模型较复杂。

2.3铅芯叠层橡胶支座
2.3.1工作原理
铅芯叠层橡胶支座工作原理是在普通叠层橡胶支座中竖向压入若干个铅芯，通过铅芯产生的剪切变形实现耗能。

在往复荷载作用下，铅具有很好塑性变形能力和耐疲劳性能，且铅芯的存在可以给支座提供了良好的早期强度，对正常使用情况下（如制动力和风荷）有利。

铅芯叠层橡胶支座的力学模型如图1所示，可通过橡胶隔震支座和铅芯阻尼器叠加而成。

图1铅芯橡胶隔震支座的力学模型
2.3.2优缺点
（1）优点：一是综合运用了橡胶剪切滞回耗能机制和铅的剪切挤压滞回耗能机制，滞回特性稳定，耗能表现和隔震效果良好；二是构造简单，易于加工和安装；三是力学模型简单，易于设计；四是当承受风载或轻微地震作用时，铅芯可以提供良好的初始刚度。

（2）缺点：由于铅芯会在大变形（如强震）的情况下屈服，而铅芯变形后不能自动恢复原状，降低了支座的自恢复能力。

3摩擦隔震系统
3.1摩擦滑移隔震体系
3.1.1工作原理
摩擦滑移隔震装置由摩擦滑动机构和阻尼向心机构组成，摩擦滑动机构通过滑移隔离地震作用，阻尼向心机构主要提供限位复位能力。

具体的工作原理为：在较小的水平作用下，该装置的摩擦力能够阻止上部结构滑动，结构保持着稳定状态；当水平作用较大，超过隔震层的摩擦力时，结构发生滑动，该装置开始发挥隔震作用；当水平作用继续增大，因滑动的产生，传给上部结构的作用不会随水平作用的增加而增大。

3.1.2优缺点
（1）优点：该体系的力学原理简单，对上部结构能很好的隔震作用。

（2）缺点：地震作用下的位移不容易控制，未能实现自复位功能。

3.2摩擦摆隔震支座
为解决普通平面滑移隔震体系不能实现结构自动复位的问题，学者们研发出了摩擦摆隔震装置，该装置除了具备平面滑移隔震装置的隔震特性外，还具备通过特殊设置的圆弧滑动面而实现的自复位功能，而不需要额外设置复杂的阻尼向心机构，应用简便，可靠度高。

3.2.1工作原理
摩擦摆隔震系统通过在滑块中设置一特殊的关节，可使该系统在沿滑道滑动过程中保持水平。

滑道与滑块之间涂有低摩擦材料，且接触面具有相同的曲率半径。

当水平荷载超过该装置的静摩擦力时，支座将在球形滑动面上运动，上部结构会随之产生单摆运动。

3.2.2力学原理
摩擦摆隔震系统通过设置利用重力复位的摆式滑动机构，若上部结构的基本周期比较短，隔震结构体系的周期可以延长到，式中为滑动球面的半径，为重力加速度。

3.2.3优缺点
（1）优点：一是拥有较好的隔震能力；二是拥有自复位能力；三是无需额外设置阻尼向心机构，构造简单，应用简便。

（2）缺点：当滑块在接触面上滑动时，难以同时保证所有滑块都与滑动面有效接触，从而使支座发生内力重分布，隔震层产生一定的扭转现象。

4结语
隔震结构体系具有良好的耗能减震能力，目前通常可在三十层以下、上部结构水平层刚度较大和高宽比较小的建筑物中应用。

隔震技术本质上是通过延长结构的自振周期，使其与地震动的卓越周期错开，进而降低地震响应。

此技术一般用于层数不多且自振周期不大的结构。

换言之，
这类结构对应于加速度反应谱在平台段，或者曲线下降段，此时如果较好地延长
结构的自振周期，反应谱中的地震影响系数也会明显降低。

然而，若是高层建筑或高耸建筑，因其自振周期原本已经不小了，一般对应
于反应谱中的直线下降段，或者当周期较大时，已超出反应谱范围，此时延长结
构的自振周期，对地震响应的减弱效果不显著。

再者，高层建筑的基础部分区域
较容易出现拉应力，但隔震装置在抗拉承载能力方面不太理想，这会限制隔震装
置应用。

综上所述，隔震结构体系具有较好的性能，各种隔震装置各有特点，应用时
应根据工程实际情况进行选择。

参考文献
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大学博士论文].长沙：湖南大学，2012.
4。