隔震装置由隔震器、阻尼器和复位装置组成。隔层器的作用是:竖向支承上部结构重量;水平方向具有弹性,提供一定的水平刚度,延长结构自振周期,避开地震动的卓越周期,降低结构地震反应,同时具有提供较大的变形能力和自复位能力。阻尼器的作用是消耗地震能量,抑制结构可能发生的过大位移,同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位。复位装置的作用是提高隔震系统早期刚度,使结构在微震或风载作用下能够具有和普通结构相同的安全性。隔震器和阻尼器往往合二为一构成隔震支座,只有当隔震支座阻尼不足时才另加阻尼器。为了达到明显的隔震效果,隔震装置必须具备下列四项基本特性:
(1)承载特性。隔震装置应具有较大的竖向承载能力,以安全地承载结构的全部重量和使用荷载,并具有较大的安全系数。
(2)隔震特性。隔震装置要具有可变的水平刚度(图9-3),在强风或微振时(F≤F1),具有足够的水平刚度K1,使上部结构的位移较小,不影响使用要求;在中强地震发生时(F>F1),其水平刚度K2较小,使上部结构可以水平移动,使“刚性”的抗震结构体系变为“柔性”的隔震结构体系,结构的自振周期大大延长,从而可远离场地的特征周期,将地面震动有效地隔开,明显降低上部结构的地震反应,可使上部结构的加速度反应降低为传统结构的1/2~1/12。
图9-3 隔震装置的荷载F-位移u关系曲线
(3)复位特性。隔震装置应具有水平弹性恢复力,使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动复位功能,上部结构可恢复至初始状态,满足正常使用要求。
(4)阻尼消能特性。隔震装置应具有足够的阻尼,较大的阻尼可使上部结构的位移明显减小。
常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。(www.daowen.com)
常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器等。
目前,技术相对成熟、应用最为广泛的隔震器是叠层橡胶支座。为了提高隔震器的垂直承载力和竖向刚度,支座一般由橡胶片与薄钢板交替叠合,经高温高压硫化黏结而成(图9-4)。钢板边缘缩入橡胶内,可防止钢板生锈。橡胶板上下两面的横向变形受到钢板约束,使橡胶支座具有很大的竖向承载力和刚度。当受到水平力时,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,且保持较小的水平刚度。橡胶层与钢板层紧密黏结,橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定拉力。因此,叠层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。叠层橡胶支座平面形状可为圆形(房屋多用)、方形和矩形(桥梁多用),直径和边长为300~1 400mm。支座中心一般设圆孔,以使硫化过程中橡胶支座受热均匀,从而保证产品质量。叠层橡胶支座又可分为普通叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座(图9-5)和高阻尼叠层橡胶支座。
图9-4 叠层橡胶支座构造
图9-5 铅芯叠层橡胶支座
普通叠层橡胶支座中的橡胶为有添加剂的天然橡胶或氯丁二烯橡胶,具有高弹性低阻尼的特点,只具备延长周期的功能,应用时配合阻尼器作用;高阻尼叠层橡胶支座采用特殊配制的具有高阻尼的橡胶材料制作而成,形状与普通叠层橡胶支座相同,这种支座同时兼有隔震器和阻尼器的作用。铅芯叠层橡胶支座比普通叠层橡胶支座多了一根铅芯(图9-5),由于铅具有较低的屈服点和较高的塑性变形能力,可使铅芯叠层橡胶支座的阻尼比增大到20%~30%,该种支座集隔震器、阻尼器为一体,无需再设阻尼器。
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