隔震支座与粘滞阻尼器在隔震结构中的应用

张晨曦（中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西 太原 030024）

隔震技术是一种采用新材料的新技术，利用隔震层将地上地下两部分通过柔性连接，当地震来临时，通过隔震层减少、隔离向上部传递的能量，以达到减隔震的目的。采用隔震技术改变了传统通过增大结构的刚度来提高结构抗震能力的设计思路[1]。20世纪70年代新西兰学者W.H.Robinson 最早研发铅芯叠层橡胶支座，80年代日本建成第一栋采取隔震支座的框架结构，90年代我国在汕头设计建成中国首个橡胶支座隔震建筑[2]。由于隔震技术在我国应用并不是很广，对此方面的理论及实际施工分析还有很大空间，本文对隔震支座及粘滞阻尼器进行理论及实际施工分析，旨在为今后隔震技术在我国更大范围的应用提供参考。

1 工程概况

雄安容西C1标段配套二十四班小学项目，总建筑面积2.4万m2，钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为8度，抗震等级为一级，基本地震加速值为0.30g，特征周期0.55，阻尼比0.05，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。共安装137 个隔震支座及25 套粘滞阻尼器。根据形体设置两道抗震缝，将地上建筑划分为三个结构单体，嵌固端为支座上端，汽车坡道顶盖随地下室部分与地上主体结构设缝断开，项目效果如图1所示。

图1 项目效果图

2 隔震工作原理及力学性能

2.1 隔震支座工作原理及分类

小震发生时，隔震支座通过初始水平刚度消耗能量；强震发生时，隔震支座通过水平位移消耗能量。隔震支座的工作原理就是通过在上部结构与地基之间增加隔震层，安装隔震支座，起到与地面的柔性连接，将地震2/3左右的能量消耗[3]。根据材料不同可以把隔震支座分为三种，如表1所示。

表1 隔震支座分类

2.2 橡胶隔震支座力学性能

橡胶隔震支座的力学性能主要分为竖向性能和水平性能。竖向性能主要有竖向刚度和竖向极限压应力、竖向极限拉应力；水平性能主要包括水平刚度、极限剪压应力[4]。

2.2.1 竖向刚度

隔震支座的竖向刚度是指橡胶支座在竖向压力的作用下产生单位位移所需要的竖向力，可通过KV表示。

式中Ec-橡胶材料的修正弹性模量，MPa；

Tr-橡胶总厚度，mm；

A-橡胶截面面积，mm2。

从公式（1）中即可看出，隔震支座竖向刚度与橡胶的弹性模量和截面面积成正比，与橡胶厚度成反比。

2.2.2 水平刚度

隔震支座的水平刚度是指橡胶隔震支座顶部与底部连接板发生单位位移时所需的水平力，可通过式（2）来表示。

式中P-垂直压力，N；

H-橡胶支座总高度，mm；

q-支座刚度转换系数；

kr-支座的有效弯曲刚度，N·mm2；

Er-橡胶材料的弯曲弹性模量，MPa。

通过公式（2）可看出，隔震支座水平刚度与竖向压力成正比，与支座的有效弯曲刚度、刚度转换系数、高度成反比。

2.2.3 竖向极限压应力

隔震支座的竖向极限压应力是支座不发生水平位移时得到的极限压应力[5]。影响橡胶隔震支座极限压应力的因素有：钢板的极限抗压强度、钢板与橡胶层的厚度比、第一形状系数。在实际应用中，考虑了轴压承载力的安全系数，对一般工程取其设计承载力为15MPa，重要工程取10MPa[6]。

2.2.4 竖向极限拉应力

隔震支座的竖向极限拉应力是支座在竖向拉力下断裂时的极限应力。当支座受拉时主要由橡胶和钢板的粘结来承受。根据《建筑隔震橡胶支座》(JG 118-2000)相关规定，橡胶隔震支座的竖向极限拉应力不应小于1.5MPa。

2.2.5 极限剪压应力

隔震支座的极限剪压应力是支座在发生水平剪切变形时的极限应力。隔震结构之所以能隔震就是通过产生水平变形来消耗能量，因此，支座的水平剪切变形和剪压承载能力是确保在地震作用时支座能够正常工作的重要指标[7]。根据对较大直径的隔震支座的实验结果，若支座承受的轴向压力恒定不变，支座的极限切应变为380%～450%时会产生相应的破坏，此时对应的轴向压力为10MPa～30MPa 时。当轴向压应力为10MPa～15MPa 时，水平切应变在350%范围内，支座不会出现剪切破坏。支座水平剪切位移小于0.75倍内部橡胶直径时，支座承载力没有明显降低[8]。

2.3 阻尼器工作原理

粘滞阻尼器是一种速度型阻尼器，由阻尼孔、粘滞流体阻尼材料、缸体、活塞、导杆等部分组成。粘滞阻尼器在地震发生时吸收和消耗进入结构的地震能量，从而减轻地震力对结构的冲击。依据流体通过节流孔时会产生节流阻力的原理，达到耗能减震的目的。粘滞阻尼器特点如下：

（1）粘滞阻尼器不增加结构刚度，仅为结构附加阻尼，可使结构的地震响应有效减小。

（2）对于抗震加固或震后修复工程均可适用。

（3）经济合理，安装方便，后期易维护。

（4）研究分析采用阻尼器的结构在地震作用下的基底剪力和层间位移明显优于非减震结构，采用粘滞阻尼器进行减震设计，减震效果显著。

3 安装应用

3.1 隔震支座安装

隔震支座的安装精度要满足规范要求水平位置及标高均应在±5mm 范围内[9]。隔震支座的安装精度，完全由隔震支座预埋板决定。预埋板安装不精准，将严重影响支座的正常安装及结构受力。

隔震支座安装在隔震层的上下支墩中间，由于隔震层梁柱标高及尺寸的不同，隔震支座的布置主要有以下三种情况，如图2所示。

图2 隔震支座布置示意图

隔震支座连接示意图如图3所示。

图3 隔震支座连接示意图

隔震支座安装流程如图4所示。

图4 隔震支座安装流程图

3.1.1 隔震支座下肢墩钢筋绑扎、模板安装

隔震支座的下肢墩一般为地下室至隔震层的柱顶，将柱筋按图纸标高绑扎至隔震层，此处柱顶筋弯锚且与两方向梁筋交集钢筋密集，为满足支座锚筋及预埋套筒在柱顶顺利安装，可提前将柱筋及箍筋在设计允许范围内微调，并安装模板。

3.1.2 安装支座预埋板竖向及水平定位钢筋

支座预埋板安装的精度直接影响了隔震支座的安装。预埋板水平位置安装不满足要求将会影响结构受力；预埋板平整度不满足要求将会影响结构的受力及支座六角螺栓能否拧入预埋套筒。

首先在附近架设水准仪，在预埋板的四角及中间将竖向定位钢筋与柱筋绑扎，通过测量标高复核，将竖向定位筋与柱筋焊接。竖向定位筋标高确定且焊接牢固后，将水平定位筋与竖向定位筋焊接连接后将定位板放置在水平定位筋上。

3.1.3 安装支座预埋板

将锚筋和预埋套筒与支座预埋板组装后，放置在水平定位筋上，对预埋板的水平位置进行调整并测量确认后，将预埋板与水平定位筋焊接固定。隔震支座预埋板安装前后如图5所示。

图5 隔震支座预埋板安装图

3.1.4 下支墩混凝土浇筑

隔震支座预埋板安装且验收完成后，可进行支座下肢墩的混凝土浇筑，此处钢筋密集且有预埋板在柱顶，所以支座下肢墩混凝土浇筑困难，需使用合适的振捣棒进行振捣，保证下肢墩的混凝土浇筑密实，且振捣过程中不能使预埋板位置偏移。

3.1.5 安装隔震支座

当下肢墩混凝土强度达到设计强度的75%后可进行隔震支座的安装[10]。首先将支座预埋板上的六角螺栓拧开，将隔震支座吊运至预埋板上后，将支座上的螺栓孔与预埋板上的螺栓孔对齐，将六角螺栓拧紧。再将支座上部预埋套筒及锚筋连接，后可在支座上部进行上肢墩的钢筋绑扎，如图6所示。

图6 隔震支座安装

3.2 粘滞阻尼器安装

粘滞阻尼器安装于隔震层梁上翻下牛腿，与一层梁下挂上牛腿之间。阻尼器安装的关键为阻尼器预埋板的安装。在阻尼器安装前，首先要在隔震层梁筋上上翻出阻尼器下牛腿的钢筋，并将下牛腿预埋板安装到下牛腿钢筋中，安装模板后进行浇筑。在一层梁筋下挂阻尼器上牛腿的钢筋，并将阻尼器上牛腿预埋板进行安装后，将阻尼器上牛腿进行浇筑。阻尼器上下牛腿浇筑完成后，可在牛腿预埋件上安装连接件，连接件安装完成后，即可将阻尼器与连接件连接。粘滞阻尼器的安装流程如图7所示。

图7 粘滞阻尼器的安装流程

3.2.1 牛腿钢筋绑扎

阻尼器牛腿钢筋绑扎要严格按照阻尼器厂家深化图进行绑扎，尤其是牛腿的标高。一般下牛腿与一层梁底、上牛腿与隔震层梁顶间隙为50mm。

3.2.2 粘滞阻尼器预埋板安装

在安装粘滞阻尼器预埋板之前，首先要将预埋板的锚筋锚入牛腿钢筋中。此处牛腿钢筋密集，预埋板锚筋直接大、根数多，现场操作具有一定的困难，且要严格保证预埋板的位置及垂直度。

3.2.3 牛腿浇筑混凝土

牛腿混凝土浇筑时，由于牛腿钢筋密集，要进行严格振捣，保证混凝土浇筑质量。且在浇筑过程中不能使预埋板错位移动，否则影响阻尼器的安装。现场实际操作如图8所示。

图8 阻尼器牛腿施工图

4 结语

通过对隔震支座及粘滞阻尼器的工作原理、力学性能、实际安装应用进行分析，发现隔震支座及阻尼器对建筑的抗震能力有很大程度的提高，使建筑物更加安全。结合C1小学隔震支座及阻尼器的安装过程，为今后采取减隔震技术的建筑的施工提供借鉴。