【寫在文前】
隔震是指通過使用某種類型的支座來保護結構免受地震破壞性影響的概念，從而實現相對地面震動減小上部結構運動，這一概念在近幾個世紀的工程設計中得到廣泛的應用。隔震結構的設計目的在於將基礎與上部結構“隔斷”，通過在基礎與上部結構間設置隔震支座，利用隔震支座自身特性減小地震對上部結構的作用，並且隔震支座可有效調節結構自振周期，避開地震地面運動的主頻帶范圍，減小共振效應，避免上部結構發生破壞。
通常我們所提及到的隔震支座類型有：
●橡膠系支座
天然橡膠支座(LNR)、
鉛芯橡膠支座(LRB)、
高阻尼橡膠支座(HDR)
●摩擦系支座
彈性滑板支座(ESB)、
摩擦擺隔震支座(FPS)
●其他
板式支座、盆式支座和彈簧隔震支座(SI)以及其他新型支座（如氣壓及液壓隔震支座）。
【探討主角】
為瞭避免許多想當然的“概念”，進行瞭對比討論，給工程師在工程上可自行選用。今天我們探討的主角是 橡膠系支座和 摩擦系支座的對比。
特別註意的是，本文探討的兩類支座均為常見且合格產品的基本單元進行探討，比如：多性態變形的橡膠支座、增設抗拉式摩擦擺等均不在討論范圍。
【組成與屬性對比】
橡膠支座
●組成：采用夾層鋼板和橡膠疊合硫化而成，橡膠可采用人工合成橡膠(可參合添加劑改性)、或者天然橡膠等等。根據需要在中間開孔放置金屬耗能件，常見的金屬為鉛、錫。根據工藝不同，還可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。
●屬性：橡膠的密度約為1.3g/cm3~1.6g/cm3，撕裂應力為20Mpa~25Mpa。（此處應力對比的是材料第一主應力，與整體支座的壓應力、拉應力不同概念）。
不同橡膠具有不同的熔點，天然生膠的熔點在130~140°C時完全軟化，200°C開始分解。
（註意：對於疊合層結構的疊層橡膠支座，考慮橡膠材料的熔點意義不大，應考慮整體橡膠支座的熔程！）
摩擦擺支座
●組成：主要包括上支座板、鉸接滑塊、(改性)聚四氟乙烯板、下支座板及限位裝置等（支座出廠初始狀態還有鎖定銷）。根據支座的工藝做法有Ia型、Ib型、Ⅱ型。
因此摩擦擺、彈(剛)性滑板支座，最主要的基本構造是：滑塊(可彈性/剛性)+聚四氟乙烯板+鏡面摩擦面。
●屬性：聚四氟乙烯-(CF2CF2-)n正常工作溫度250℃，熔點327°C，沸點為400°C，比熱容約為：0.96×10^3~1.05×10^3 J·kg/K，極限應力在60Mpa~65Mpa，改性材料會更高。超過400°C後，熱裂解速度增大，且產生有毒氣體。
耐腐蝕：對大多數化學藥品和溶劑表現出惰性，能耐強酸強堿、水和各種有機溶劑。耐候性好，有塑料中最佳的老化壽命。高潤滑：是固體材料中摩擦系數最低者。不黏附，是固體材料中表面張力最小者，不黏附任何物質。
但是也存在一些缺陷，聚四氟乙烯的線膨脹系數達1.13×10^-5~2.16×10^-5/°C，是不銹鋼的10倍以上，故與不銹鋼組合使用時，容易發生變形，開裂等問題。聚四氟乙烯的機械性能較低、硬度較小、回彈性差，成型時，收縮率高，二次加工難度大。很多學者根據相關缺陷做瞭許多的材性改進。
摩擦擺支座
1——上下錨固裝置、
2——上座板、
3——上滑動摩擦面、
4——球冠體、
5——下滑動摩擦面、
6——下座板
可看出從材料上的對比，雖然橡膠支座可以改進耗能材料(比如鉛改成錫等)，摩擦支座可以改進鏡面摩擦板面，但本質上仍然是高分子聚合物的性能對比（橡膠VS聚四氟乙烯）。但特別註意的是鉛對環境有污染，高阻尼橡膠支座和摩擦擺支座較符合低碳環保的生活。
【豎向壓應力對比】
若單受壓的極限破壞下，普通橡膠支座通常極限面壓在90Mpa~100Mpa，而(通常受限於聚四氟乙烯板的極限壓力性能)摩擦擺支座通常極限面壓在100Mpa~120Mpa。
然而真實三向受力需要考慮橡膠支座的壓彎剪耦合，通過定剪切壓縮試驗表明，當水平剪切變形小100%時，橡膠隔震支座的極限壓應力無明顯降低。當超過100%時，橡膠支座的極限面壓會急劇下降。因此，通常橡膠支座的重力工況下的設計面壓不大於支座破壞壓應力的1/6，重力荷載代表值下設計面壓為10~15Mpa。而摩擦擺真實三向受力下，極限面壓受水平變形較小的影響。
因此通常設計下，同等量級的支座，摩擦系支座的設計豎向壓力比橡膠系支座大。
橡膠支座受壓界限受力狀態
【抗拉抗傾覆能力對比】
首先明確一點，通常的隔震建築高寬比小於4，隔震支座在地震下很難很難受拉。抗拉裝置幾乎無用武之地，如果項目出現數值計算受拉超問題，需謹慎復核。畢竟受理論水平高低影響，工程師的數值分析不一定能正確的反演真實情況。
在沒有任何附加抗拉裝置的情況下：
普通的摩擦擺無任何抗拉抗傾覆能力，此處不討論。
橡膠支座的純拉應力可達4~6Mpa，根據不同廠傢具有不同的性能，且隨著剪應變增大，極限拉應力減小。限制橡膠支座極限受拉1Mpa的目的，是考慮拉剪共同耦合作用下支座的受拉極限破壞。
300%剪應變的極限拉剪狀態
極限純拉裂破壞
單個支座受到1Mpa時，支座受拉力有多大呢？可見下表，1Mpa看似非常小，但是換成拉力是可以比較大的，所以不要小看這1Mpa的拉力，也需要工程師謹慎復核結構受拉超的問題。
【水平位移對比】
在定壓力下，橡膠支座在剪應變250%以內的水平變形均可穩定呈現線性或雙線性的狀態。一般在壓剪試驗中，剪切應變小於250%時，隔震支座的水平剛度基本平穩。隨著剪切變形繼續增大，剪切變形超過250%~300%之後，支座出現硬化現象，即水平剛度驟然上升，以及恢復鼓起的現象。
（特別註意，橡膠支座的S1>15時，橡膠支座的水平剪切力和豎向軸力可以幾乎解耦！）
而在定壓力下，摩擦擺支座可以在限定范圍內，可以有一個穩定雙線性表現。
橡膠支座硬化變形全過程
橡膠支座極罕遇地震下變形全過程
定壓力下未超過限位的摩擦擺支座變形
彈性滑板支座和摩擦擺支座的罕遇地震下，設計的水平位移分別不大於其水平極限位移的0.75倍和0.85倍。常見摩擦擺產品的極限位移有200mm~900mm，也可以生產更大如1500mm以上等。
橡膠支座目前工藝能做到1500mm，大部分支座生產S2都控制為5，因此罕遇地震控制250%可換算位移為下表。
位移譜分析
實際上，隔震效果在隔震周期和阻尼比確定下來後，位移隨之基本可以確定瞭，因此過大的位移顯得毫無意義。
而過小的位移需要考慮隔震屈服後周期對比非隔震結構的周期是否放大足夠（建議放大2.5~4倍，否則幾乎沒有隔震效果！）
●PS：有人問非隔震結構周期已經很長瞭如4s、5s的高層結構，怎麼辦？！
隔震雖好，但不是萬能的，這個情況建議選擇其他減隔震措施更優！
【高速加載】
鉛芯橡膠隔震支座在實時多次水平往復快速試驗後，鉛芯橡膠隔震支座豎向剛度基本一樣，鉛芯橡膠隔震支座實時多次往復變形對其豎向剛度基本沒有影響。鉛芯橡膠隔震支座在快速實時往復試驗，鉛芯屈服力會退化降低。但是震後，隔震支座靜置一段時間後（鉛芯溫度恢復到常溫），其性能基本又恢復到原本的狀態。
其他橡膠隔震（如：天然橡膠支座），則在往復試驗中能保持穩定的力學性能狀態。
摩擦擺支座在高速往復滯回試驗下，由於摩擦生熱，對於超大支座大面壓下，聚四氟乙烯板會於鏡面摩擦鋼板產生大量熱，而導致聚四氟乙烯板融化。對於改性耐高溫聚四氟乙烯板、或增加散熱劑可以改善這一特征。(大致通過熱交換和比熱容的概念進行計算：5000t豎向壓力下，摩擦系數0.04，最大位移為300mm的高速移動，接觸面必定超過250°C。)
並且摩擦擺支座在往復滯回試驗下，會隨著摩擦的進行，聚四氟乙烯發生瞭嚴重的磨損，且磨耗後聚四氟乙烯的摩擦系數大幅增大，會影響瞭支座的耐久性。
因此根據AASHTO的規定，聚四氟乙烯必須保持50%可用厚度。當聚四氟乙烯的磨損率超過50%時，會破壞支座的支撐、隔震性能。因此，每一次地震或振動啟動，都是摩擦擺的損耗。
【抗火耐高溫能力】
橡膠支座是由橡膠薄層和薄鋼板交替粘連而成的。
橡膠材料在熱、氧等外界因素作用下，本身結構會發生變化，其結果是以下情況的疊合：
1、分子鏈降解、分子量下降，使材料發粘，發軟；
2、分子鏈產生交聯，使材料變硬、變脆；
3、分子結構上產生變化，在這個過程中橡膠分子鏈降解、交聯結構改變，橡膠老化變質。
對於橡膠支座來說，熱穩定性能很重要，其耐熱性取決於熱和氧化兩者的綜合效應。總體而言受熱或老化支座剛度呈現下降趨勢。
值得關心的是雖然橡膠的溫度到瞭200°C時，橡膠開始降解，同時發生軟化並喪失絕大多數的抗拉能力。但是橡膠導熱性很差，而疊層橡膠支座外部溫度傳遞到內部需要一定的時間，因此采用熔程更為貼切。
因此欲使得達到內部的橡膠達到200°C，外部的溫度早已極高瞭。
日本相關研究機構將鉛芯橡膠支座放入丙烷的加熱爐中由火焰使其燃燒，試驗體周圍的溫度為500°C至700°C，火焰暴露時間為30分鐘，將實驗體從加熱爐中取出，燃燒完成後的十分鐘內進行抗壓試驗。
結果可確認，在達到設計荷載20噸的10倍200噸時，仍有抗壓能力，因此，火焰暴露後的鉛芯橡膠支座仍有足夠的支承荷載的能力。橡膠的損傷為自外表至保護層的5mm深處，說明橡膠的外表面有熱阻斷的性能。
橡膠支座是具有一定的耐火性，但耐火性能較弱。在實際工程中，應盡量避免支座直接燃燒。並盡可能在支座外部采用防火措施來保護橡膠支座。
對於摩擦擺支座，鋼材具有較高的熔點1535℃，由於支座構造，幾乎不需要考慮鋼板的高溫受彎問題。因此大部分認為摩擦擺的耐火性能高於橡膠支座。
但是！但是！但是！！
鋼材具有非常良好的導熱性！且聚四氟乙烯板的正常工作溫度250℃以下，熔點327°C，沸點為400°C！在火焰燃燒下，10~15分鐘內很快達到250°C，當超過250℃時，聚四氟乙烯板失去工作強度和剛度。在高溫下，支座的上下蓋板就像個鍋爐，煮著聚四氟乙烯板。因此摩擦擺支座在高溫下，瞬間失去隔震能力，軸向受力直接退化成鋼對鋼承載。因此，支座功能直接失效。
綜上，橡膠支座和摩擦擺支座都不具有很好的抗火耐高溫性能！切記都需要防火處理！
【支座計算穩定性】
當橡膠支座S1>15，S2>5時，基本水平和豎向解耦，屈服後水平剛度在地震下基本趨於理想的穩定狀態，且大量試驗已經證明橡膠支座屬於位移型支座，與變形速度無關。
但是橡膠支座水平剛度雖然穩定，但是決定隔震動力性能的需要包含結構質量，才可得到整體隔震結構的周期。這點會影響到什麼呢？
例如結構周期需求為4s，由於結構太輕而勉強選擇LRB200達到周期需求，這一定是不滿足位移要求的，該支座在罕遇地震的最大變形限制250%隻有100mm，遠不足性能要求。當結構非常輕，而隔震周期又需要比較長，此時選擇橡膠支座是無法滿足設計要求的。應更改其他支座，例如彈簧支座、摩擦擺支座。
摩擦擺支座的擺動周期(類似鉛芯橡膠支座屈服後周期)，雖然與質量無關，僅僅與擺動半徑有關，但是摩擦擺的摩阻力(類似鉛芯橡膠支座的屈服力)和豎向軸力、變形速度相關，這就導致瞭摩擦擺支座是高度非線性支座，動力穩定性能比較復雜。
兩類支座，實際工作下橡膠隔震支座更容易進行動力描述，而且與實際情況更容易吻合。如下分析，鉛芯橡膠支座(藍色)和摩擦擺支座(紅色)進行0.6g輸入，考慮豎向耦合時，鉛芯橡膠支座更為穩定。
僅考慮水平輸入
考慮1:0.65水平和豎向耦合輸入
【老化性】
摩擦擺支座幾乎沒有老化問題，僅需要考慮金屬構件的防腐防銹蝕問題即可，而聚四氟乙烯板板具有非常好的耐老化性能。
橡膠支座的老化問題是很多人比較關心的問題。先給結論：以目前的工藝條件，無需擔心隔震支座老化問題。
橡膠老化主要是長期與復雜惡劣環境以及空氣的接觸導致，而橡膠支座外部會有類似混凝土保護層厚度的一層橡膠包裹，這層橡膠的作用主要是為瞭保護支座緩解老化。
從外部到內部的老化過程中，隨著受腐蝕保護層橡膠深度越深，老化時長越長，而且支座各個性能指標都有微小的變化，通常的趨勢是老化前後剛度變化趨勢相近呈遞減，而其等效阻尼比、屈服力呈遞增趨勢。
【 自復位能力】
討論范圍內復位能力最好的自復位產品應屬於無鉛芯的天然橡膠支座，是否可以復位不是靠想象，而是其滯回性能決定！彈性平板摩擦支座無自復位功能。
鉛芯橡膠支座，最終產生的殘餘變形為鉛芯塑性變形的屈服力和支座橡膠彈性恢復力平衡的殘餘變形。
摩擦擺支座，最終產生的殘餘變形為摩擦面產生的摩阻力和曲面上重力分量平衡的殘餘變形！
因此，決定支座的極限最大殘餘位移的是屈服力/摩阻力，以及 屈服後剛度（橡膠層、摩擦擺曲面），因此同參數下，理論殘餘變形一致。
因此，建議！建議！建議！！
建議通過隔震層 屈服力/摩阻力 和 屈服後剛度 進行計算極限最大殘餘位移，來限制隔震結構的殘餘位移！而不是通過1.2倍罕遇地震下最大位移對應恢復力來確定。畢竟我們並不知下一次地震來的是多大的地震。
而實際上，在震害中很難達到極限最大殘餘位移，由於地震幅值變化特性，會將支座殘餘變形震小，通常會小於極限最大殘餘變形的一半。
在Peer網上隨機下載100條各式各樣的地震波，進行計算分析。隔震周期為3.14s，屈重比/摩擦系數為0.04時，滯回曲線上極限最大殘餘位移為98mm，而實際上大部分都小於25mm。即便考慮實際情況，支座超小變形未啟動的情況，那麼大部分變形也未超過35mm。
註意：本計算不考慮兩類支座硬化損傷等問題，均以支座質量過檢，正常工作的情況！
220Gal輸入的情況
400Gal輸入的情況
610Gal輸入的情況
【結論】
鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座作為橡膠系支座和摩擦系支座的代表性支座，各有優缺點，目前橡膠支座的試驗相對比較齊全，而摩擦擺支座還有部分試驗需要探索研究。工程師可根據概念和比較在工程應用上定性選用。
豎向壓力下，摩擦擺支座可承受比同體量的鉛芯橡膠支座更大的壓應力，但同時帶來的問題是摩擦面的磨損，以及大壓力下的散熱問題。
抗拉抗傾覆下，摩擦擺支座無任何抗拉能力，鉛芯橡膠支座僅有1Mpa抗拉能力。
（PS:市面上，目前有對常規摩擦擺進行改進成抗拉型摩擦擺支座，也有橡膠支座增設抗拉裝置，且不說除瞭數值計算的亂象，實際問題很難遇到抗拉問題。抗拉型摩擦型支座仍存在運動流暢性問題。）
水平位移問題，橡膠支座的水平大位移下會產生硬化問題。因此，在高烈度下選用LRB300或者更小支座時，需要謹慎復核。而摩擦擺支座在定壓力下的限定位移內，水平滯回性能較為穩定。
抗火耐高溫問題，橡膠和聚四氟乙烯板都是可燃有機材料，都不具有很好的抗火能力，且橡膠有較好的阻熱性，可保證橡膠在0.5h燃燒下毫無性能下降。二者均需要做防火措施！
老化問題，摩擦擺支座無任何老化問題，橡膠支座的老化問題已通過保護層解決，基本可不考慮橡膠支座的老化問題。
（PS：橡膠的老化問題，可以參考混凝土保護層中，考慮鋼筋的銹蝕問題。）
自復位問題，鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座的試驗/理論滯回模型相近，因此都會存在殘餘位移。
在碳中和背景下，穩定版高阻尼橡膠支座和增強版摩擦擺支座還是值得深入研究探索的。
~關註未來更精彩~