隔震橡膠支座技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

隔震橡膠支座技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

“5.12”四川四川大規(guī)模地震再次為中國建筑的抗疲勞動發(fā)出了警鐘。地震是人類面臨的重大自然災(zāi)害之一,雖然我們無法阻止地震的到來,但人類完全可以通過采取積極的應(yīng)對措施來把地震造成的損失降到最低。國內(nèi)外隔震結(jié)構(gòu)曾經(jīng)采用的裝置有砂墊層、石墨砂漿、摩擦滑移、滾球或滾軸隔震層、擺動式基礎(chǔ)樁等,目前較為成熟的一種新型基礎(chǔ)隔震技術(shù)就是建筑隔震橡膠支座新技術(shù)。傳統(tǒng)的建筑抗震設(shè)計(jì)致力于保證結(jié)構(gòu)本身具有足夠的強(qiáng)度、剛度和延性,來達(dá)到減輕地震災(zāi)害的目的;而建筑隔震橡膠支座則利用橡膠特有的彈性和阻尼性能,結(jié)構(gòu)上采取鋼板和橡膠疊層的方法,一方面保證了垂直方向具有足夠的承載力,而水平方向利用橡膠特有的粘彈性,在地震發(fā)生時把地震的能量通過橡膠的阻尼性通過水平位移,延長建筑物的自震周期,從而有效地把地震活動隔開,最終達(dá)到減震的目的。由傳統(tǒng)的“抗”震改為“隔”震,是對傳統(tǒng)建筑抗震設(shè)計(jì)的一次革命。1996年,由西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院、西安建筑科技大學(xué)等聯(lián)合組成陜西省“九五”攻關(guān)課題(96K14G6)“橡膠墊隔震技術(shù)應(yīng)用研究”課題組,對隔震原理、支座結(jié)構(gòu)、材料性能、力學(xué)試驗(yàn)、硫化工藝及支座的安裝方法等進(jìn)行了一系列研究,1998年為咸陽市文匯西路28號樓作為試點(diǎn)安裝了φ400型隔震橡膠支座?！?·12”汶川大地震時西安、咸陽地區(qū)震感非常明顯,但據(jù)我們對試點(diǎn)樓的居民進(jìn)行跟蹤,部分居民甚至對地震渾然不知。新的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001于2001年已經(jīng)正式頒布,GB20688.3-2006《橡膠支座第三部分:建筑隔震橡膠支座》也于2007年10月正式實(shí)施,這都為隔震橡膠支座的產(chǎn)業(yè)化提供了重要的依據(jù)。建筑隔震橡膠支座剖面圖見圖1。一、隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震體系是在上部結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)面(或底部柱頂)之間設(shè)置隔震層而形成的結(jié)構(gòu)體系。它包括上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)。常用的隔震裝置包括夾層橡膠隔震墊和摩擦滑移隔震裝置。1.失穩(wěn)破壞特性為了達(dá)到明顯的減震效果,隔震體系必須具備下述四項(xiàng)基本特性:(1)豎向承載特性。隔震裝置應(yīng)能有效地支承上部結(jié)構(gòu),即使在隔震裝置發(fā)生大變形時也能正常工作而不發(fā)生失穩(wěn)破壞。(2)水平隔震特性。隔震裝置具有合適的水平剛度,以有效地削減地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞,延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期,達(dá)到降低上部結(jié)構(gòu)地震作用的目的。(3)復(fù)位特性。隔震裝置應(yīng)具有水平彈性恢復(fù)力,使隔震結(jié)構(gòu)體系在地震中具有瞬時自動“復(fù)位”功能。地震后,上部結(jié)構(gòu)回復(fù)至初始狀態(tài),滿足正常使用要求。(4)阻尼消能特性。隔震裝置具有足夠的阻尼,從而具有較大的消能能力。較大的阻尼可使上部結(jié)構(gòu)的位移明顯減小。同時,隔震裝置應(yīng)具有可靠穩(wěn)定的性能指標(biāo)和滿足使用要求的耐久性。2.多層隔震房屋的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系相比,隔震體系具有以下優(yōu)越性:(1)明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。從振動臺地震模擬試驗(yàn)結(jié)果及已建造的隔震結(jié)構(gòu)在地震中的強(qiáng)震記錄得知,隔震體系的上部結(jié)構(gòu)加速度只相當(dāng)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(基礎(chǔ)固定)加速度反應(yīng)的1/4~1/12。有試驗(yàn)表明,采用橡膠隔震支座后,上部結(jié)構(gòu)的水平加速度可減少80%左右,設(shè)計(jì)時設(shè)防烈度可減少1~2度考慮。(2)確保結(jié)構(gòu)安全。在地面劇烈震動時,上部結(jié)構(gòu)仍能處于正常的彈性工作狀態(tài),從而可確保上部結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)施的安全和正常使用。(3)降低房屋造價。由于隔震體系的結(jié)構(gòu)承受的地震作用大幅度降低,使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的斷面、配筋減小,構(gòu)造及施工簡單,從而可節(jié)省造價。雖然隔震裝置需要增加造價(約5%),但建筑總造價仍可降低。多層隔震房屋比傳統(tǒng)抗震房屋節(jié)省土建造價:7度區(qū)節(jié)省1%~3%,8度區(qū)節(jié)省5%~12%;9度區(qū)節(jié)省10%~15%,并且抗震安全度大大提高。另外,按照目前的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范,7度、8度區(qū)可在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不變的情況下加1~2層,這無疑對開發(fā)商是極大的利好。(4)抗震措施簡單明了。抗震設(shè)計(jì)的對象從考慮整個結(jié)構(gòu)物的復(fù)雜的、不明確的抗震措施轉(zhuǎn)變?yōu)橹豢紤]隔震裝置,簡單明了,設(shè)計(jì)施工大大簡化。(5)震后無須修復(fù)。地震后,只對隔震裝置進(jìn)行必要的檢查,而無須考慮建筑結(jié)構(gòu)物本身的修復(fù)。地震后可很快恢復(fù)正常生活或生產(chǎn)。(6)上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)(平面、立面、體形、構(gòu)件等)限制較小。由于上部結(jié)構(gòu)地震作用小,從而加大了建筑設(shè)計(jì)的靈活性。隔震建筑物已有經(jīng)過地震檢驗(yàn)的實(shí)例。在1995年1月17日日本阪神大地震中,地震區(qū)有兩棟橡膠墊隔震房屋(兵庫縣松村組3層隔震樓、兵庫縣郵政部7層中心大樓),儀器記錄顯示,隔震建筑物的加速度反應(yīng)僅為傳統(tǒng)抗震建筑物加速度反應(yīng)的1/8~1/4,兩棟隔震房屋的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的裝修、設(shè)備、儀器絲毫無損,其明顯的隔震效果令人驚嘆。二、橡膠墊設(shè)計(jì)中的一些重要力學(xué)參數(shù)1.橡膠墊的強(qiáng)度(1)第一形狀系數(shù)S1的定義:橡膠墊中每層橡膠層的有效承壓面積與自由表面積之比。見式(1)。式(1)中,d———橡膠層有效承壓面的面積;d0———橡膠墊中間開孔的面積;tr———每層橡膠層的厚度。(2)S1對橡膠墊力學(xué)性能的影響:S1表征橡膠墊中鋼板對橡膠層變形的約束程度。S1越大,橡膠墊的受壓承載力越大,豎向剛度也越大。(3)S1的取值要求:根據(jù)國內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn),一般取S1≥15。2.橡膠墊力學(xué)性能(1)S2的定義:橡膠墊有效承壓體的直徑與橡膠總厚度之比。見式(2)。其中n為橡膠層的總層數(shù)。(2)S2對橡膠墊力學(xué)性能的影響:S2表征橡膠受力體的寬高比,即反映橡膠墊受壓時的穩(wěn)定性。(3)S2的取值要求:一般取3.橡膠層中vmx—軸壓承載力在豎向壓力作用下,橡膠墊中的夾層橡膠層和鋼板的應(yīng)力分析和計(jì)算,采用有限元分析及增量型修正的牛頓—拉弗森法等方法進(jìn)行估算。在S2≥3,橡膠的硬度在40~60邵氏度條件下,其極限平均軸壓應(yīng)力的近似計(jì)算見式(3)。式(3)中σvmax———夾層橡膠墊極限平均軸壓應(yīng)力,;在確保夾層橡膠墊的橡膠層與鋼板粘接緊密,并且S1≥15,S2≥3條件下,一般σvmax可達(dá)95~120MPa,若考慮軸壓承載力的安全系數(shù)f=6,則設(shè)計(jì)軸壓應(yīng)力。所以在實(shí)際工程應(yīng)用中,對橡膠墊的設(shè)計(jì)軸壓應(yīng)力的取值為:同時建議鋼板、橡膠層厚度比的取值為:4.材料的水平相對位移橡膠墊的水平(剪切)剛度是指橡膠墊上下板面產(chǎn)生單位相對位移時所需施加的水平剪力,計(jì)為Kh,見式(4)。式(4)中,D———上下板面水平相對位移,mm;Q———水平剪力,N。水平剛度是橡膠隔震墊重要的力學(xué)參數(shù)之一,它的重要性在于選擇合適的剛度以確定隔震墊的自震周期,確保足夠的初始剛度,保證隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、小地震下正常使用;同時還可確保隔震墊不致產(chǎn)生過大的水平剪力及過大的水平位移。5.豎向剛度的計(jì)算隔震橡膠支座的豎向剛度是指在豎向應(yīng)力下,產(chǎn)生單位豎向位移所施加的力,計(jì)為Kv,見式(5)。式(5)中,P———夾層橡膠墊受的豎向應(yīng)力,N;(1)橡膠材料的力學(xué)性能影響:橡膠的硬度及彈性模量越大,隔震支座的豎向剛度也越大;(2)Kv隨S1、S2的增大,幾乎成正比例增大;(3)Kv隨水平剪切變形的增大而降低。(2)豎向剛度的計(jì)算在豎向壓力下,橡膠墊的壓縮變形受到夾層鋼板的約束,處于三向應(yīng)力狀態(tài),使其壓縮剛度大大提高。通過有限元理論分析,可得出豎向剛度的計(jì)算,見式(6)。式(6)中,Ecv———夾層橡膠墊修正壓縮彈性模量,見式(7)。式(7)中,Ev———體積約束彈性模量;Ec———壓縮彈性模量,Ec=E(1+2kS1)2;k———硬度修正系數(shù)。橡膠隔震支座的結(jié)構(gòu)規(guī)格見表1,各種規(guī)格支座的力學(xué)參數(shù)見表2。三、橡膠墊生產(chǎn)工藝1.橡膠材料基本配方根據(jù)隔震墊的使用要求,主體材料選強(qiáng)伸性能較好的天然橡膠,在配方的設(shè)計(jì)上須考慮以下幾點(diǎn):(1)橡膠材料的伸長率要大,抗撕裂性好;(2)橡膠與鋼板的粘和性要好;(3)針對厚制品需長時間硫化,橡膠應(yīng)不發(fā)生硫化返原現(xiàn)象;(4)中孔的鉛棒純度要高,以提高橡膠墊的早期剛度,而在水平位移下,又具有吸收阻尼性能。橡膠材料的基本配方:天然橡膠100;氧化鋅5;硬脂酸1;防老劑5;炭黑30;硫化劑2.1;促進(jìn)劑0.5;其他4。橡膠的物理機(jī)械性能見表3。2.橡膠墊的工藝設(shè)計(jì)隔震橡膠支座的制造工藝是整個研究的重點(diǎn)和難點(diǎn),它是由多層橡膠與多層鋼板疊層組合,經(jīng)各工藝程序制成的具有很高力學(xué)性能要求的產(chǎn)品。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,性能要求高,故對工藝的要求特別高,任何一道工序不嚴(yán)謹(jǐn),就會造成橡膠墊力學(xué)失穩(wěn),從而失去隔震作用。該產(chǎn)品的工藝難點(diǎn)在于:(1)產(chǎn)品不能過硫,更不能欠硫;(2)內(nèi)部膠層的厚度要均勻;(3)膠層內(nèi)部不能有氣泡,否則會直接影響和鋼板的粘接。為此專門設(shè)計(jì)了“三開模立式半封閉”結(jié)構(gòu)模具,該模具的優(yōu)點(diǎn)是能使產(chǎn)品一次成型,工序少。橡膠墊的模具裝配圖見圖2。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),重點(diǎn)對400型橡膠墊的工藝進(jìn)行了深入探索。通過熱電偶測試,中間橡膠層的溫度傳遞在150℃下硫化2小時后可達(dá)到130℃,經(jīng)2.5小時硫化后卸模,將產(chǎn)品剖開用硬度計(jì)對各層不同部位測量硬度,結(jié)果均在48~52之間。3.產(chǎn)品的制造工藝四、橡膠老化試驗(yàn)隔震橡膠支座橡膠材料經(jīng)70℃×168h的熱空氣老化,外側(cè)表面進(jìn)行阻燃/耐老化材料保護(hù),其物理性能波動很小,50pphm×40℃×96h臭氧老化后橡膠未出現(xiàn)龜裂。φ400型支座經(jīng)華中理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室100℃×192h老化試驗(yàn)后滿足設(shè)計(jì)要求。同時根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度與溫度的關(guān)系公式(一般認(rèn)為橡膠老化是一級化學(xué)反應(yīng))理論計(jì)算及國外有關(guān)橡膠隔震墊耐久性的文獻(xiàn)報(bào)道,其耐久性完全可以滿足建筑工程的使用要求。五、豎向位移和黨的傾斜度橡膠支座隔震工程施工中,支座的安裝是一個重要環(huán)節(jié)。本研究根據(jù)自阻尼疊層橡膠支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定橡膠支座的安裝及質(zhì)量控制的技術(shù)要求是:(1)水平位移的偏差不大于±3mm;(2)豎向位移的偏差不大于±2mm;(3)支座的傾斜度不大于2‰。支座的安裝關(guān)鍵是底聯(lián)結(jié)預(yù)埋鋼板的就位及固定。為此在不致于有太大投入的前提下,專門設(shè)計(jì)了用于橡膠墊安裝的螺桿式支座安裝儀,見圖3。具體安裝方法是:支座下的注砼分兩次澆筑,先澆灌柱頂300mm高以下的砼,待下部砼初凝并安裝底鋼板后再澆灌鋼板下砼。支座安裝時先以可調(diào)螺桿把底部鋼板吊起,待水平、豎直及傾斜度等調(diào)整準(zhǔn)確后臨時用φ12鋼筋點(diǎn)焊在柱主筋上,經(jīng)反復(fù)復(fù)核無誤后,用C30細(xì)石砼澆灌柱砼至柱頂標(biāo)高,待凝固后即可進(jìn)行上部作業(yè)。六、經(jīng)濟(jì)效益分析采用隔震橡膠支座的建筑,其工程造價及經(jīng)濟(jì)效益是大家都非常關(guān)心的。下面筆者以咸陽試點(diǎn)樓的建設(shè)情況對經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行簡單分析。該樓為六層的普通磚混住宅,有地下室,地下室以上建筑面積3000m2。采用φ400的橡膠墊,每40平方米一個,層高可增加一層。七、橡膠隔震的應(yīng)用前景建筑隔震橡膠支座是集穩(wěn)定支撐、彈性復(fù)位、阻尼功能于一身的新型隔震裝置,橡膠材料的物理機(jī)械性能、產(chǎn)品的力學(xué)性能等均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。支座設(shè)計(jì)合理,安裝方便,且可更換,具有防止支座在豎向與水平向協(xié)同地震作用下失穩(wěn)的特點(diǎn)。經(jīng)試點(diǎn)工程使用,以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品的使用效果看,的確是一種行之有效的新型隔震體系,其潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分可觀。相信隨著人們對新型隔震技術(shù)認(rèn)識的不斷深入,特別是在政府的大力支持下,橡膠隔震支座將對我國的建筑業(yè)、橡膠產(chǎn)業(yè)等注入新的活力,其應(yīng)用前景一片光明。Pvmax———夾層橡膠墊極限平均軸壓承載力,N;A———夾層橡膠墊有效承載面積,