吳 迪,沈朝勇,熊 焱,蔣國平,冼巧玲,

（1.廣州大學工程抗震研究中心,廣州 510405; 2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣州 510604;3.福建江夏學院工程學院,福州 350108）

0 引言

在社會經(jīng)濟和科學技術(shù)迅速發(fā)展的今天,城市化和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展是緊密聯(lián)系在一起[1]。二十一世紀以來,隨著世界范圍內(nèi)城市化進程加速推進,城市和鄉(xiāng)村工程結(jié)構(gòu)面臨諸多新的問題和挑戰(zhàn),例如地震與環(huán)境振動對城鎮(zhèn)工程安全性和舒適性影響問題等[2-3]。類似問題引起了工程結(jié)構(gòu)領域?qū)＜液蛯W者的高度重視[4-6]。為解決上述問題,國內(nèi)外研究者從隔震、減振和振動控制方面開展了理論、試驗研究和技術(shù)、開發(fā),并在實際工程運用、隔震規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化方面取得了顯著進展[7-10]。

早期隔震裝置功能主要針對水平向隔震和減振,對豎向減振效果不明顯。1909年由Calantarients提出的一種建筑基礎隔震設計方法[11],該方法是指在結(jié)構(gòu)物底部與地基之間設置隔震系統(tǒng),通過延長結(jié)構(gòu)的周期和適當增加阻尼,使結(jié)構(gòu)加速度反應減弱,控制地面運動能量向結(jié)構(gòu)物傳遞。隔震技術(shù)被證明是結(jié)構(gòu)工程防震減災的有效手段,并且逐步用于工程結(jié)構(gòu)抗震與減振控制。在1994北嶺地震[12]、1995年神戶地震[13]和2013年蘆山地震[14]中,采用基礎隔震和減振技術(shù)的工程結(jié)構(gòu)經(jīng)受了地震的考驗,因此該技術(shù)獲得各國工程減震控制領域的認可,并被使用于工程結(jié)構(gòu)的基礎隔震（振）。

近年來,隨著三維隔震和減振技術(shù)積極的發(fā)展,國內(nèi)外學者經(jīng)過一系列理論研究和試驗,提出和開發(fā)了不同種類的新型三維基礎隔震和減振裝置。本文在現(xiàn)有三維基礎隔震和減振技術(shù)與應用研究成果基礎上,針對工程結(jié)構(gòu)抗震防災需求進行介紹和分析,并對現(xiàn)有三維隔震（振）裝置進行分類和討論,希望本文的闡述和研究能對于新型三維隔震和減振技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮一定推動作用。

1 三維隔震（振）技術(shù)與裝置

1.1 三維隔震（振）技術(shù)簡述

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學的基本理論,基礎隔震（振）系統(tǒng)可被簡化為有阻尼單自由度體系。在外部激勵振動作用下,單自由度體系運動微分方程的表示為：

式(1)中,m為單自由度質(zhì)量,c為粘滯阻尼系數(shù),k為剛度系數(shù),別為系統(tǒng)的位移、速度、加速度,ω為外部荷載諧振動的圓頻率。

根據(jù)式(1)可以推導基礎隔震(振)體系的振動傳遞率(TR)[15],即最大傳遞力（fmax）與外部激勵的幅值（p0）的比值：

式中,ωn為隔震(振)體系的自振頻率；ω為外部激勵荷載的振動頻率；ζ為阻尼比；

根據(jù)式（2）可以計算得到不同外部激勵頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率比（ω/ωn）情況下TR的分布情況如圖1所示。根據(jù)圖1所示的振動傳遞率的函數(shù)分布可知,增加阻尼比ζ 與頻率比ω/ωn能有效降低外部激勵傳遞給系統(tǒng)的作用力。且當ω/ωn＞√2時,TR＜1,傳遞力小于外部激勵的幅值。但是,在外部激勵的頻譜特性較為復雜,例如根據(jù)美國規(guī)范FEMA450將場地劃分為A、B、C、D、E共5類[16],選取不同場地的地震動計算得到其加速度反應譜圖如圖2所示。由圖2可知不同場地的地震動加速度頻譜特性差異較大。此外,外部激勵振動的卓越頻率也會隨時間發(fā)生變化。顯然,式（2）無法衡量現(xiàn)實外部激勵的特殊性和隨機性。此外,實際上傳遞力小于外部激勵的幅值也不能保證上部結(jié)構(gòu)安全性和舒適性的限值要求。根據(jù)實際隔震結(jié)構(gòu)的設計經(jīng)驗,頻率比ω/ωn需要超過2才能達到較為有效的減震需求。

根據(jù)隔震(振)系統(tǒng)的理論分析,三維基礎隔震和減振對裝置的需求包括豎向承載力、剛度、阻尼等,在特定阻尼條件下隔震(振)裝置的能力與需求關(guān)系可表示為圖3所示。裝置需要具備足夠的豎向承載能力和自復位能力,滿足承擔上部結(jié)構(gòu)全部荷載的需求,并能夠在振動作用結(jié)束后結(jié)構(gòu)恢復到初始狀態(tài)。其次,裝置需要擁有較低的剛度,滿足提高降低隔震（振）系統(tǒng)振動傳遞率的需求。

圖1 不同阻尼比隔震（振）系統(tǒng)的振動傳遞率Fig.1 Vibration transmission rate of a seismic isolation(vibration) system with different damping ratios

圖2 不同場地地震動反應譜Fig.2 Earthquake response spectrum of different sites

圖3 隔震（振）裝置的能力與需求關(guān)系Fig.3 Relationship between capacity and demand of seismic isolation (vibration) device

1.2 三維基礎隔震（振）裝置分類

隔震(振)系統(tǒng)主要由隔震(振)裝置(以下簡稱隔震裝置)、阻尼裝置、風反應控制裝置等組成[8]。隔震裝置既需要承擔結(jié)構(gòu)的豎向荷載,還需通過其較低剛度改變工程結(jié)構(gòu)的自振周期；同時,隔震裝置良好恢復力實現(xiàn)地震后結(jié)構(gòu)的自復位功能。此外,隔震裝置還需要具備耐候性和耐腐蝕性等特征。在現(xiàn)有三維基礎隔震(振)技術(shù)的研究成果的基礎上,根據(jù)裝置組成結(jié)構(gòu)類型特點,可將其分類歸納如表1所示。

表1 三維基礎隔震裝置Table 1 Three-dimensional base isolation device

2 橡膠隔震支座

2.1 厚層橡膠隔震支座

為解決普通疊層橡膠支座無法實現(xiàn)豎向隔震問題,Tajirian[17-18]通過減少疊層鋼板的數(shù)量,從而降低橡膠隔震支座的豎向剛度,解決了普通疊層橡膠隔震支座無法豎向隔震的問題[17]。此后,核電站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)采用了此類三維隔震支座[18]。厚層橡膠隔震支座的結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖4所示,但增加橡膠層的厚度會減小支座第一形狀系數(shù),降低疊層橡膠隔震支座的穩(wěn)定性。Warn和Vu[19]研究第一形狀系數(shù)對厚層橡膠隔震支座三維隔震性能的影響,但該研究忽略了豎向荷載等關(guān)鍵因素。陳浩文[20]通過物理試驗方法,測量不同頻率和支座壓應力為2～3 MPa情況下振動加速度傳遞函數(shù)的變化曲線（如圖5）；試驗證明在地鐵激振條件下普通阻尼厚層型橡膠隔振支座的隔振效果良好,而由于高阻尼支座材料本身彈性模量較大,導致地鐵激振下發(fā)生共振反應。何文福等[21]對比研究了不同振幅和頻率組合下的普遍橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座及厚層橡膠隔震支座的基本力學性能,其試驗結(jié)果表明厚層橡膠隔震支座在水平方向的基本力學性能良好,在豎向具有大變形能力。朱玉華等[22]設計了3種不同單層橡膠厚度的厚層鉛芯橡膠隔震支座并進行力學性能試驗,研究豎向壓縮剛度等基本力學性能隨壓應力、剪應變等的變化規(guī)律。鄒立華等[23]提出了一種預應力厚層橡膠隔震支座,并在模型試驗的基礎上,建立隔震結(jié)構(gòu)非線性分析模型,推導水平剛度計算解析公式。

在三維隔震（振）建筑結(jié)構(gòu)的工程實踐和結(jié)構(gòu)設計方面。為提高地鐵鄰近建筑室內(nèi)舒適度,實現(xiàn)建筑水平和豎向的地震和環(huán)境減振,周穎等[24]采用厚層橡膠隔震支座對上海莘莊地鐵上蓋多塔結(jié)構(gòu)進行層間隔震研究,驗證隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的安全性能和結(jié)構(gòu)抗風和微振動的性能。盛濤等[25]對某地鐵車站附近修建兩層砌體結(jié)構(gòu)進行足尺試驗模型,驗證了采用橡膠隔震支座措施對提高地鐵鄰近建筑室內(nèi)舒適度的有效性。Kanazawa等[26]采用振動臺試驗的方法研究水平向、豎向和三個方向輸入地震動后結(jié)構(gòu)的響應,試驗證明在一定頻帶寬度范圍內(nèi)采用此類隔震系統(tǒng)具有一定減震效果。但是,為了保證疊層橡膠隔震支座足夠的穩(wěn)定性,橡膠層不能過厚,所以需要綜合考慮支座的豎向剛度和支座承載能力。

圖4 厚層橡膠隔震支座Fig.4 Thick-layer rubber seismic isolation bearing

圖5 厚層橡膠隔震支座試驗[20]Fig.5 Test of thick-layer rubber seismic isolation bearing[20]

2.2 纖維疊層橡膠隔震支座

1999年Kelly等[27]采用纖維代替鋼板有效降低了隔震支座的豎向和水平剛度。通過對支座力學性能進行理論和試驗（如圖6）,分析發(fā)現(xiàn)纖維隔震支座不僅擁有較好的耗能特性和較低的水平剛度,而且具有質(zhì)量輕、易于加工等優(yōu)點[28]。Pinarbasi[29-30]對纖維約束疊層橡膠隔震支座的軸壓和彎曲特性進行理論分析,研究認為在軸壓和彎曲狀態(tài)下纖維橡膠隔震支座與普通鋼板疊層橡膠隔震支座的力學特征[31]存在一定區(qū)別?；诓煌螤畹募s束彈性體的力學特征的理論研究成果[32],Tsai和Kelly[33]推導了條形、圓形和長方形截面的纖維約束層狀彈性體的壓縮剛度和名義壓縮剛度。Kelly和Takhirov[34]通過考慮約束層狀彈性體中彈性體體積壓縮系數(shù),對條形截面的約束層狀彈性體的壓縮剛度進行修正。Tsai[35]通過考慮彈性層體積壓縮系數(shù)和約束層狀彈性體邊界條件的影響,分別對條形和圓形截面的約束層狀彈性體的壓縮剛度進行修正。Spizzuoco等[36]進行了不同豎向壓縮應力情況下纖維疊層橡膠隔震支座的壓剪性能試驗,并根據(jù)試驗結(jié)果對隔振器的抗震設計性能進行了評估。雖然,纖維疊層橡膠隔震支座在實際應用中具有顯著的優(yōu)勢,但隔震支座的豎向承載能力有限。這主要因為纖維疊層橡膠隔震支座內(nèi)的纖維需要保持平直狀態(tài),同時,橡膠隔震支座的制造商在制造過程中,很難控制橡膠硫化以保證支座內(nèi)纖維處于平整狀態(tài),纖維在橡膠隔震支座中經(jīng)常出現(xiàn)卷曲現(xiàn)象,影響此類支座的豎向和水平的受力性能。

圖6 纖維疊層橡膠隔震支座的壓剪試驗[27]Fig.6 Compression-shear test of fiber laminated rubber vibration isolation bearing [27]

圖7 FRP疊層橡膠隔震支座的壓剪試驗[40]Fig.7 Compression-shear test of FRP laminated rubber isolation bearing [40]

2.3 FRP疊層橡膠隔震支座

由于纖維疊層橡膠隔震支座存在的制備的困難問題和豎向承載能力限制,于是有研究提出采用代替纖維增強的FRP疊層橡膠隔震支座[37]。相較于纖維疊層橡膠隔震支座,FRP疊層橡膠隔震支座擁有豎向承載力大、加工簡單等優(yōu)點。張華等[38]對FRP橡膠隔震支座進行了有限元數(shù)值模擬,研究支座在豎向加載作用下的力學性能進行研究,研究了支座的變形以及FRP加勁板應力的大小及分布。譚平等[39]采用有限元方法研究了此類無約束型支座和可靠約束型支座的水平承載能力,揭示翹曲因素對于無約束型支座內(nèi)部橡膠層應力狀態(tài)影響的規(guī)律。吳迪等[40]對FRP疊層橡膠隔震支座的壓縮性能、剪切性能等進行力學性能試驗研究（如圖7）,試驗表明支座具有足夠的豎向承載力和水平極限變形性能,并對地震作用下某砌體隔震結(jié)構(gòu)的地震響應進行有限元分析。

2.4 約束橡膠隔震支座

為使橡膠隔震支座既能保持較低的豎向和水平剛度,同時擁有較大的豎向承載能力,在疊層橡膠隔震支座理論研究的基礎上吳迪等[41]提出一種抗拔、限位、阻尼功能的約束橡膠隔震支座。通過周圍約束層提高支座的穩(wěn)定性,從而減少支座內(nèi)疊層加勁鋼板的數(shù)量,降低支座豎向剛度。同時,水平方向外部約束板為支座提供阻尼力,并在極限拉剪狀態(tài)下為支座提供限位保護。對不同直徑約束橡膠隔震支座進行擬靜力試驗研究（如圖8）,試驗表明約束板能夠有效提高橡膠隔震支座的穩(wěn)定性,同時該約束橡膠隔震支座具有較高的豎向承載能力和較低的豎向剛度,能夠滿足不同壓應力狀態(tài)下一般工程結(jié)構(gòu)三維隔震的需求[42]。但該支座在實際工程應用還有待進一步驗證。

圖8 約束橡膠隔震支座[42]Fig.8 Restrained rubber seismic isolation bearing[42]

圖9 采用金屬彈簧隔震支座的建筑試驗[43]Fig.9 Building test using metal spring seismic isolation support [43]

3 金屬彈簧隔震支座

彈簧主要是利用彈性工作的機械零件。根據(jù)形狀劃分金屬彈簧的主要類型有,螺旋形、碟形、環(huán)形和板形等；其中,螺旋彈簧隔震支座被廣泛應用于機械工程（如汽車等）的三維隔震和減振控制中。1985年Huffmann[43]將金屬彈簧隔震支座用于建筑結(jié)構(gòu)的三維隔震保護系統(tǒng)中,如圖9所示,對分別采用固定連接和螺旋彈簧隔震支座連接的一座5層鋼框架建筑模型進行振動臺試驗,試驗表明在有限振幅下,結(jié)構(gòu)的地震作用力被有效降低,并能為建筑物和里面的人提供更多的保護。唐家祥和劉再華[8]提出采用螺旋彈簧隔震支座進行工程結(jié)構(gòu)基礎隔震,并完善了相應的隔震理論和設計方法。Huang等[44]采用超彈性鎳鈦形狀記憶合金螺旋彈簧設計一種被動基礎隔震系統(tǒng),為并通過小比例尺寸的模型驗證其有效性。但該由于該模型縮尺比例過小,時間工程的可行性有待測試。尹學軍[45]對螺旋彈簧隔震效率進行了理論分析和試驗研究,介紹了三維彈簧隔震基礎的有關(guān)案例。尚守平等[46]提出一種三維復合螺旋彈簧隔震支座隔震墩,其所作的振動臺模擬試驗表明,三維復合隔震墩能有效減弱上部結(jié)構(gòu)豎向及水平向的加速度,具有良好的隔震效果,并且隔震墩具有良好的恢復原位性能。Ke等[47]對復合材料螺旋彈簧的設計方法進行綜述,包括材料選擇、結(jié)構(gòu)設計、性能匹配設計和優(yōu)化設計,并介紹了其性能研究和制造工藝的重要研究成果。

4 組合隔震支座

4.1 彈簧組合隔震支座

彈簧組合隔震支座是指通過彈簧隔震支座（如螺旋彈簧或碟簧支座）與其他隔震支座組合,從而實現(xiàn)支座的豎向承載能力和可調(diào)節(jié)剛度。1996年Fujita等[48]提出采用螺旋彈簧和橡膠隔震支座組合的三維隔震系統(tǒng),并對該系統(tǒng)進行理論和振動臺試驗研究,研究表明采用該隔震系統(tǒng)后水平方向第一階結(jié)構(gòu)自振頻率可以達到0.5 Hz,豎直方向為3.5 Hz；該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)三維隔震的目的。熊世樹等[49-50]提出一種鉛芯橡膠碟簧三維隔震支座,該裝置采用橡膠隔震支座與碟型彈簧相串聯(lián),橡膠隔震支座的豎向壓應力采用10-15 MPa,試驗表明此裝置的水平和豎向阻尼性能良好（具體如圖10所示）；研究結(jié)果還說明,采用隔震支座的結(jié)構(gòu)的三維隔震效果明顯,樓層的地震反應比不隔震結(jié)構(gòu)降低了50%以上；當豎向剛度小于2000 kN/mm,降低剛度對于減小結(jié)構(gòu)的地震反應比較明顯。顏學淵等[51]對采用碟形彈簧的三維隔震高層結(jié)構(gòu)進行地震動激勵的振動臺試驗,試驗結(jié)果表明裝置能夠減小三向結(jié)構(gòu)的地震響應。

4.2 橡膠組合隔震支座

劉文光[52]提出將不同橡膠隔震支座組合的一種傾斜旋轉(zhuǎn)型三維隔震裝置,并進行豎向壓縮力學性能試驗（如圖11）,推導了隔震裝置的剛度和阻尼的理論計算公式。他們還比較了非隔震和隔震結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下豎向加速度、水平加速度、層間剪力和層間位移響應,研究表明該隔震裝置在豎向變形狀態(tài)下具有良好的阻尼耗能性能[53]。高燁[54]設計一種疊層橡膠隔震支座和厚層橡膠隔震支座串聯(lián)的裝置,利用普通疊層橡膠隔震支座隔離地震的水平分量,而厚層橡膠隔震支座用于豎向隔震和隔離地鐵振動。

圖10 三維隔震支座力學性能試驗[49]Fig.10 Mechanical performance test of 3D seismic isolation bearing [49]

圖11 傾斜旋轉(zhuǎn)型三維隔震裝置[52]Fig.11 Tilting and rotating three-dimensional seismic isolation device [52]

4.3 空氣彈簧組合隔震支座

1993年Uriu等[55]提出空氣彈簧與橡膠隔震支座組成的三維基礎隔震系統(tǒng),并對該系統(tǒng)進行了地震模擬振動臺試驗研究,結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效降低控制房屋的三向振動。日本為保護核電站工程結(jié)構(gòu)免受地震的破壞,財政部積極推動核電站工程結(jié)構(gòu)三維隔震技術(shù)的研究,包括采用空氣彈簧和橡膠隔震支座組合的三維隔震技術(shù)的研究[56]。為提高豎向隔震的效果和安全性,含蓄能器單元的空氣彈簧與橡膠隔震支座的三維組合隔震裝置被提出,并進行了三維地震試驗驗證裝置的動力性能參數(shù)[57]。Takayama[58]將空氣彈簧和橡膠隔震支座組合的三維隔震技術(shù)應用于建筑結(jié)構(gòu)抗震的實際工程(如圖12所示),并在東日本大地震中獲得了結(jié)構(gòu)地震監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測的振動響應分析表明三維隔震系統(tǒng)能夠有效降低隔震結(jié)構(gòu)在水平和豎向的地震加速度。Suhara等[59]通過模型幾何縮尺比例為1/10的擬靜力試驗,研究空氣彈簧和橡膠隔震支座的串聯(lián)隔震裝置的水平和豎向力學性能；其中空氣彈簧的豎向壓應力采用1.6 MPa,橡膠隔震支座的豎向應應力采用7.5 MPa；驗證了該類組合支座的有效性,證明可將其被用于實際工程。

圖12 空氣彈簧與支座組合的隔震裝置[58]Fig.12 Shock isolation device combined with air spring and support [58]

5 結(jié)論和展望

三維基礎隔震(振)技術(shù)是抵御地震和減輕環(huán)境振動對結(jié)構(gòu)影響的重要途徑。隨著三維隔震(振)技術(shù)的深入研究和最新發(fā)展,三維基礎隔震(振)裝置被廣泛應用于房屋建筑、橋梁等工程結(jié)構(gòu)。本文對現(xiàn)有三維基礎隔震(振)和減振裝置和研究成果分類統(tǒng)計,對三維隔震(振)和減振裝置進行類型劃分；對不同類型三維隔震(振)裝置的力學基本構(gòu)造、力學特征、組成特征、加工和維護狀況等進行討論,并介紹其特色和優(yōu)勢。進一步明確三維隔震(振)裝置的需求主要包括剛度和承載力的兩個方面,討論三維基礎隔震（振）系統(tǒng)的振動傳遞率和其它關(guān)鍵問題,為三維基礎隔震技術(shù)的進一步開發(fā)研究提供參考。