建筑隔振(震)器-弹簧支座设计计算
1. 简述
隔震与消能减震是一种积极主动的结构设计理念，属于结构控制范畴。除隔震与消能减震结构外，结构控制方法还有质量调谐减振（震)、王动控制减振（震）及混合控制减振（震)。
隔震是通过设置某种隔离装置,使结构周期大大增加，并使其远离地面运动的卓越周期，从而降低地震对结构的激励作用。隔震按隔离装置设置原理分为基底隔震、悬挂隔震两大类型。目前基底隔震技术方法比较成熟，已经大范围应用于实际工程，我国也已有专门的设计规程。由于要求基底隔震器承受上部建筑物的重力，一般基底隔震结构适用于水平刚度较大、高度相对较低的多层结构。设置隔离装置后,结构系统的周期比原结构周期大大加长，地震作用可显著降低。
图 1隔振器垂向和横向运动
消能减震结构是通过附加消能减震装置与原结构组成一个新的结构系统，原结构和附加的消能减震装置均为这一新结构系统的子结构。这一新结构系统的动力特性和消能能力与原结构相比有较大变化，附加的消能减震装置使得原结构承受的地震作用显著减小，从而达到控制结构地震反应的目的,减轻主结构的损伤程度。
目前使用最多的隔震结构如图2所示。通过隔震构件，将下部结构与基础柔软连接。
图 2隔震装置示意
在隔震装置中，隔震支座占有重要地位。通过将不同元件的功能进行组合,或选取不同的设计参数,可以得到多种多样的隔震支座。
隔震支座要求有较大的竖向承载力与竖向刚度,以保证承受上部结构的自重;水平方向上则较为柔软,以保证隔震支座的隔震效果,即应有使建筑物恢复到原位置的刚度,同时应注意保证水平方向有较大的变形能力，以充分发挥隔震效果。除了良好的力学性能，隔震支座还要有良好耐久性与稳定的质量,以保证能够长期稳定地承的受荷载。为了确保隔震支座的性能正常发挥，应当重视隔震支座的后期维护工作,及时维护、更换。
在实际工程中常用的叠层橡胶支座、摩擦摆隔震支座、摩擦滑移隔震支座、滚动隔震支座等由于竖向刚度很大，对竖向震动没有隔震效果。弹簧隔震支座利用竖向弹簧减小上部结构在竖向地震下的动力响应,从而起到隔震效果,如图3所示。为了耗散竖向地震能量,往往还需要设置竖向阻尼器。
图 3弹簧隔震支座
2. 设计荷载及有限元模型
通过对建筑的隔震设防计算得到隔振层处隔震支点的荷载如下表1所示。
以设防烈度荷载值作为弹簧载荷依据，隔振器弹簧设计参数如下表所示。
板材材料为Q355D，抗拉强度>500Mpa，屈服强度>355Mpa。
弹簧材料为40SiMnVBE，弹簧抗拉强度>1900Mpa，弹簧屈服强度>1700Mpa。
图 4隔振器有限元模型
隔振器设计计算时选用一下荷载工况进行计算。
3. 分析结果
3.1 工况1
图 5下板vonMises应力
图 6下板最大切应力
图 7上板vonMises应力
图 8上板最大切应力
计算得到理论切应力为699Mpa，误差为10.5%。理论值与有限元结果很接近。同时分析弹簧簧丝内圈应力较大的原因是因为内圈曲率较小， 存在一定的应力集中导致。
3.2 工况2
图 11下板vonMises应力
图 12下板最大切应力
图 13上板vonMises应力
图 14上板最大切应力
4. 结论
本文仅列出了设计计算的两个工况，工作荷载和地震荷载。两种工况下隔振器的弹簧和上下板均有一定的安全裕度。
仿真采用设备基体情况：
CPU：Intel(R) Xeon(R) W-3175X CPU @ 3.10GHz (28核)
内存（RAM）：192GB
模型耗时情况：每个工况耗时：0.5h。
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