建筑隔震橡胶支座技术介绍
政策法规处 巩慧
地震局作为对建设工程进行抗震设防要求管理的部门，应密切了解建筑防震领域的最新研究动向，与时俱进地推进建筑结构应用新技术来增强其防震抗震能力。现就目前应用最广泛的隔震技术——建筑隔震橡胶支座技术进行介绍。
一、建筑隔震橡胶支座发展应用
基础隔震目前有夹层橡胶垫隔震装置、铅芯橡胶支座、滚珠（或滚轴）隔震、悬挂基础隔震、摇摆支座隔震、滑动支座隔震等多种，其中橡胶支座隔震技术是隔震技术中应用最广、技术最成熟的，它具有减震机理明确、减震效果显著、施工与安装方便等特点，而且已有多项工程在实际地震中经受考验，正受到越来越多国家的重视。
建筑隔震橡胶支座在竖向刚度很大，能承受很大的竖向荷载，支座在水平方向有很大的柔度，使得建筑物的周期变长，能够有效地将地震作用同上部建筑物隔离开来，减缓地震作用时上部建筑物的运动。
以建筑隔震橡胶支座作为隔震层的隔震结构主要适合于一定高度的砖石或钢混结构，这类结构一般不会出现竖向提离问题，风载问题也不占动荷载的主要地位。
世界上首座使用铅芯橡胶支座的建筑是1981年在新西兰建造的惠灵顿 William Clayton 大楼，这是一座四层高的钢筋混凝土结构办公楼，紧靠惠灵顿断层。1982年日本建成第一座现代隔震建筑，是一座两层民宅。1985年，美国建成的加州圣丁司法事务中心是美国的第一座隔震建筑，也是世界上第一座采用高阻尼橡胶隔震支座的建筑。
如今铅芯橡胶垫的优点已得到广泛的认同，许多国家都采用这项技术设计建造楼房、桥梁等建筑物。现在，日本基础隔震建筑不仅用于中层、低层，而且随着对基础隔震高层和超高层建筑的需求，日本近期建成或正在建造一批基础隔震高层和超高层建筑，如东京杉并花园城、大阪DT办公楼、大阪楠叶塔楼城。联合国工业发展组织(UNIDO)将它列入了发展中国家低价格住房天然橡胶隔震系统研究项目，在中国的广东汕头、印度尼西亚的爪哇岛、意大利的Reggio Calabria和智利的圣地亚哥各建成示范性房屋。铅芯橡胶垫还被用于建筑物的加固。美国犹他州盐湖政府大楼是一所建于1894年的五层无配筋砖石结构建筑，离Wasatch 断层只有3 km，很容易为地震破坏。该楼就采用了在基础下组合安装合成橡胶支座与铅芯橡胶支座隔震的加固方案。新西兰议会大楼是用铅芯橡胶垫加固建筑物的另一个重要例子。
进入20世纪80年代，隔震研究逐渐在我国得到重视，建筑隔震橡胶支座技术逐渐为众多学者认识研究。同时，针对我国的国情，研究的重点集中在以砌体结构为主要应用对象的隔震结构上。橡胶支座技术应用情况有：1993年在河南安阳用自主开发的铅芯橡胶支座建造的一座底框住宅楼。1994年，又在四川冕宁建成一座八层框架隔震综合楼。1995年～1996年又陆续在广东、云南、四川、陕西等地兴建了一批隔震建筑。从1997年开始，橡胶支座隔震建筑开始在各地推广，建筑面积明显增加。这些隔震建筑取得了较好的效果。《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2001）的第十二章对隔震结构做了较为详尽的规定。
在已建成的隔震建筑中，不少已经经受了实际地震的考验。如日本仙台市东北大学校园内的一栋三层楼房，我国汕头和大理建成的夹层橡胶垫隔震结构，在1994年和1995年分别经受了台湾海峡地震(7.3级)和云南地震(6.5级)的考验。上述隔震结构在地震中的良好表现，使人们对结构隔震技术充满了信心，并为隔震技术提供了强有力的支持，同时也进一步证明了隔震技术的优越性。
二、建筑隔震橡胶支座的性能
建筑隔震橡胶支座是由薄橡胶板和薄钢板分层交替叠合，经高温高压硫化粘结而成。由于在橡胶层中加入若干薄钢板，并且橡胶层与钢板紧密粘结，当橡胶支座承受竖向荷载时，橡胶层的横向变形受到上下钢板的约束，使橡胶支座具有很大的竖向承载力和刚度。当橡胶支座承受水平荷载时，橡胶层的相对位移大大减小，使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致失稳，并且保持较小的水平刚度（约为竖向刚度的1/500～1/1000）。并且，由于橡胶层与中间钢板紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定拉力。因此，建筑隔震橡胶支座是一种竖向刚度大，竖向承载力高，水平刚度小，水平变形能力大的隔震装置。
橡胶支座形状可为圆形、方形和矩形，一般多为圆形，因为圆形与方向无关。支座中间一般设有圆孔，以使硫化过程中橡胶支座所受热量均匀，从而保证产品质量。
建筑隔震建筑隔震橡胶支座主要有以下几个基本特性：
1、竖向变形特性
支座只承受竖向纯压缩载荷时，竖向载荷-位移曲线显示出弹簧特性，在设计面压载荷范围内近似为线性关系。普通橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座的竖向变形特性基本一致，铅芯橡胶隔震支座竖向加载时，铅芯基本不承受竖向压力。
2、水平变形特性
普通橡胶隔震支座当设计竖向压力恒定时，水平载荷-位移曲线接近线性，滞回曲线的等价阻尼比约为1%～3%。
对于铅芯橡胶隔震支座，当设计竖向压力恒定时，水平载荷-位移滞回曲线轮廓呈菱形，滞回曲线的等效刚度随水平位移增大而降低，等价阻尼比则趋于常数，可达20%以上，吸收的能量转化为热能，铅棒的温度会有一定升高。
对于高阻尼橡胶隔震支座，水平载荷-位移滞回曲线轮廓呈梭形，等价刚度随着水平位移的增加而逐渐减小，在变形较大的区域内，等价阻尼比表现为定值，通常可达到l0～20%。
3、拉伸性能
在地震时，工程结构物或建筑物可能会产生较大摇摆，支座就会产生较大的水平剪切变形，某些橡胶支座的横断面可能就会产生拉应力。所以建筑隔震橡胶支座必须具有一定的受拉承载能力，才能确保建筑结构物在地震的多维地面运动综合作用下，隔震橡胶支座不拉断始终保持结构稳定性，发挥隔震功能。综合国内外行业设计经验，以及建筑结构物的实际设计需要，一般情况下，建筑隔震橡胶支座的设计容许拉伸应力以不大于2.0MPa为宜。
4、剪切特性相关性
支座的剪切特性主要体现在不同工况下的水平等效刚度变化特性，与设计压应力、设计剪应变、加载频率、反复加载次数以及本体温度有关。在通常情况下，建筑隔震橡胶支座的剪切特性符合以下规律：
（1）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着设计压应力的增大略有降低，在压应力超过一定值（如10MPa）时，变化幅度更小，在工程应用上基本忽略不计；
（2）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着剪应变的增大而降低，当剪应变很大时（如超过300%），水平等效刚度又会有所提高；
（3）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着加载频率的提高而略有提高，但变化微小，在工程上基本忽略不计；
（4）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着水平反复加载次数的增加略有减小，但变化值微小，在工程上也基本忽略不计；
（5）建筑隔震橡胶支座的水平等效刚度一般会随着橡胶支座本体温度的升高而降低，但在不同的剪应变情况下变化程度有所不同。
5、耐久性
建筑隔震橡胶支座布置于隔震建筑的基础隔震层，需要经过50～100年（甚至更长时间）的使用，经历长期恒定载荷、多次地震冲击荷载，以及环境大气的长期作用，仍需保持符合要求的承载力、回弹性、刚度、阻尼等力学性能。耐久性的目标是确保建筑隔震橡胶支座的正常使用寿命不低于工程结构本身的使用寿命（一般为50年）。
三、建筑隔震橡胶支座的特点
经过长期的研究与应用，得出了建筑隔震橡胶支座有着以下多个特点：
1、具有足够的竖向刚度和竖向承载力和很小的压缩变形，可确保建筑物的正常使用，多层橡胶的竖向刚度，通常与一根柱子的刚度相当。例如，多层橡胶的直径70㎝，总厚度为14㎝（0.7×20层），柱子的截面为70×70㎝，长度为400㎝的RC柱。按计算公式，多层橡胶的竖向刚度约为2140t/㎝，RC柱的刚度约为2500t/㎝，可见多层橡胶的受压刚度与RC柱基本相同。多层橡胶的水平方向的性能充分发挥了橡胶的特性，具有非常小的水平刚度和很大的变形能力。目前已实现水平刚度小于竖向刚度的1/1000。以前面的例子来比较多层橡胶和RC柱的水准变形能力。直径70㎝的多层橡胶的水平变形能力40㎝左右，而RC柱的层间变形角如果为1/200，则水平变形量约为2㎝。因此多层橡胶的水平变形能力相当于20层柱子的水平变形量的总和；
2、隔震效果明显、稳定，具有足够小的水平刚度和较大的水平变形能力，在地震作用下，橡胶支座可以释放引起主要破坏的水平地震作用中一部分，保证建筑物基本周期延长至2s～3s或3s以上，远大于建筑场地的卓越周期，避开共振反应；
3、具有恰当的阻尼比，能有效地吸收地震能量，减少上部结构的地震反应；
4、具有稳定的弹性复位功能，能在多次地震中自动瞬时复位；
5、构造简单，设计、安装、检测、修复方便；
6、具有足够的耐久性、抗低周疲劳性能、抗热空气老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性、耐反复荷载、耐疲劳、耐老化均较好，产品正常使用寿命为60年，与建筑物使用寿命相差无几；
7、具有充分的工程应用经验并成功地经受了地震的考验；
8、能够提高房屋的安全度，建筑物抗震安全系数可以因此提高4～8倍以上。
四、建筑隔震橡胶支座的基本制造技术
橡胶隔震支座为了能够实现相关功能，对橡胶隔震支座的制造技术有着较高要求。通常情况下，橡胶隔震支座需按照以下制造工艺流程才能完成。
1、橡胶材料准备：选用合适配方和材料，在制造厂炼胶，制造出符合要求的半成品-橡胶混炼胶，炼胶一般采用密炼技术；
2、表面处理：由于橡胶隔震支座由多层薄钢板与硫化而成，薄钢板必须先进行表面处理，一般采用磷化或喷砂处理；然后须在表面喷涂胶粘剂，才能保证钢板与橡胶之间的粘接；
3、硫化：橡胶隔震支座成型必须通过硫化才能完成，而硫化的工艺及参数的选取较为复杂，需要根据产品规格大小和性能要求才能确定；
4、组装：根据建筑设计要求，将连接钢板与橡胶隔震支座进行组装，完成全套产品的制造。对于一般工程来说，还需要由制造厂家提供预埋板等其它配件。
建筑隔震橡胶支座适用于房屋、桥梁、铁路、设备等隔震装置中，是一种目前世界上应用最多的隔震器，其使用将会极大提高建筑物的防震抗震能力，在世界范围及我国国内都具有广阔应用前景。
