隔震支座小知識(shí)

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談到地震，想必大家都不陌生，無論是2008年的“5.12汶川地震”還是2011年的“3.11東日本大地震”都給人留下了深刻的印象。在公眾號(hào)之前的一篇文章《汶川十年|和百度百科不一樣的地震科普》中也提過即便目前來看地震是不可預(yù)測的（可預(yù)警），但也可以通過很多的措施以實(shí)現(xiàn)將損失減小到最低。

隔震結(jié)構(gòu)就是這樣一種措施。

隔震結(jié)構(gòu)的歷史可以追溯到1870年，加利福尼亞州舊金山市的Jules Touaillon 在進(jìn)行一項(xiàng)建筑改造工程中開創(chuàng)性提出隔震的概念，通過在兩塊表面凹陷的中間加入小球，減少地震作用對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

Jules Touaillon 的隔震建筑

地震分為橫波和縱波，通俗理解，橫波使建筑物水平晃動(dòng)，縱波使建筑物發(fā)生豎向晃動(dòng)，而且往往給建筑物帶來嚴(yán)重破壞的是橫波。

因此，這位叫Jules Touaillon的大師想出了用小球隔斷建筑與基礎(chǔ)的做法，任由基礎(chǔ)左右晃動(dòng)，上部建筑好像都不是那么地“聽話”。

也許覺得用小球的方式過于的草率，看起來房屋被截成了兩段也不是那么的安全，瑞士人Seigenthaler在南斯拉夫柏斯坦勞奇小學(xué)的改造中首次提出將厚橡膠墊作為隔震支座。

后來為了更好地支撐上部結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)在水平地震作用下變形后自動(dòng)復(fù)位，又有學(xué)者陸續(xù)提出在厚橡膠支座中加入鋼板和鉛芯，也就是被廣泛應(yīng)用于建筑中的鉛芯橡膠隔震支座。

鉛芯橡膠隔震支座

支座安裝示意

為實(shí)現(xiàn)中國特色社會(huì)主義的四個(gè)自信，在這里就不得不提我國隔震界的權(quán)威、被譽(yù)為現(xiàn)代“張衡”（來源于百度百科）的周福霖院士。其1993年在汕頭主持完成我國第一棟橡膠支座的8層隔震住宅，這也是當(dāng)年世界最高的隔震住宅樓，聯(lián)合國工發(fā)組織為此在汕頭召開國際會(huì)議，向世界各國推廣了這種技術(shù)，稱之為“世界隔震技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)里程碑”。

23個(gè)橡膠支座撐起“中國隔震第一樓”

雖然這些看上去都很厲害，也被自己寫在了開題報(bào)告里，但其實(shí)并不是我論文的方向，因?yàn)槲已芯康氖?strong>豎向隔震…….

其實(shí)對(duì)于大部分建筑結(jié)構(gòu)而言，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是不要求計(jì)算豎向地震作用的，恰巧的是，研究室之前大量研究的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（想想體育館、展覽館的屋頂）恰好不屬于這個(gè)不需要的范疇。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（ANSYS）

說了這么多，好像終于要切入正題了，下面就開始簡單介紹一些高大上而有趣的隔震支座。

1

電磁懸浮技術(shù)

2014年，福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院夏昌開發(fā)一種基于電磁懸浮技術(shù)的結(jié)構(gòu)豎向隔震裝置，工作原理是利用電磁鐵產(chǎn)生的可控吸力調(diào)整結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)接收到地震預(yù)警信號(hào)，啟動(dòng)電磁控制裝置，對(duì)電磁鐵上的線圈輸入電流，使電磁鐵對(duì)銜鐵產(chǎn)生吸力，從而使得銜鐵和上部結(jié)構(gòu)脫離基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)傳至結(jié)構(gòu)時(shí)，線圈電流根據(jù)位移傳感器測得的懸浮間隙實(shí)時(shí)改變，調(diào)節(jié)懸浮力的大小，從而降低上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

電磁懸浮隔震支座

2

輪胎也能隔震

2018年，西南科技大學(xué)（綿陽，5.12地震重災(zāi)區(qū)）孟慶利為改變我國村鎮(zhèn)建筑“小震大災(zāi)”的特點(diǎn)，致力于尋找一種造價(jià)低廉，構(gòu)造簡單，施工簡便，后期維護(hù)成本低的隔震裝置。最后他的關(guān)注點(diǎn)落在了國內(nèi)每年淘汰的上億條廢舊輪胎上。

廢舊輪胎墊的工作原理類似于疊層橡膠支座，由于側(cè)向剛度較小，可水平錯(cuò)動(dòng)，在一定范圍內(nèi)可恢復(fù)變形，并且考慮利用廢舊輪胎胎冠內(nèi)的鋼絲網(wǎng)強(qiáng)度便不再在橡膠墊層間設(shè)置鋼板，造價(jià)低廉且具有較大環(huán)保意義。

3

輪胎可以，那空氣呢

氣壓支座又稱為空氣彈簧，其豎向隔震原理是：在密閉容器中加入壓力空氣，利用空氣壓縮的恢復(fù)力來提供阻尼和緩沖，此類裝置在隔震的主動(dòng)控制領(lǐng)域具有極高的研究價(jià)值。空氣彈簧的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)裝置的密閉性要求極高、維修和后期維護(hù)的費(fèi)用高。

金屬線纜空氣彈簧三維隔震裝置（Kageyama）

4

另一種小球

和Jules Touaillon的小球不同的是，廣州大學(xué)劉逸的小球是橡膠球（如果腦洞大一點(diǎn)的話可以想象為比較硬的壓力球）。其工作原理其實(shí)非常簡單，通過鋼板的約束保證橡膠球在豎向力作用下的承載力和穩(wěn)定性，同時(shí)通過橡膠球的變形耗散地震作用的能量實(shí)現(xiàn)隔震的效果。