并联复合隔振基础理论与应用.doc

浅谈并联基础隔震技术理论前言：并联复合隔震支座采用夹层橡胶垫支座和摩擦滑移支座并联复合而成。系统中，夹层橡胶垫支座提供系统的向心复位力，能自动复位，摩擦滑移支座滞回耗能，具有良好的耗能能力。这种复合隔震支座融合了前面两种隔震支座的优点，同时又改善了采用单一隔震支座的缺点，极大地提高了建筑结构的抗震能力，是一种简单、经济、有效、具有广泛应用价值的基础隔震支座形式。关键词：地震；并联基础隔震结构；摩擦滑移隔震支座；橡胶隔震支座。0 引 言地震时一种突发式的自然灾害，它给人类的生命财产造成了巨大的损失，为了减轻地震灾害，人类同地震进行着长期的斗争。传统的抗震技术主要依靠提高结构本身的承载力以及变形能力抵抗、消耗地震能量1。虽然能够达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标，但仍存在着安全性难以保证、适应性有限制的和经济性欠佳等一系列问题。所以，必须寻找一种既安全（在突发性的超烈度地震中不破坏、不倒塌）、又适用（适用于不同烈度、不同建筑结构类型，既保护建筑结构本身又保护建筑物内部的仪器设备）、又经济（不增加建筑造价）的新的耐震体系2。隔震体系就是在这种情况下应运而生的。1 隔震技术发展概述及原理传统抗震体系中存在的问题逐渐引起地震工程学者们的思考。为使结构适应地震，近年来，人们不断寻找有效途径来抗御地震破坏，如发展新材料、研究新的结构形式等。隔震技术是地震工程实践中的热点之一。现在研究和应用较多的隔震技术主要是夹层橡胶垫隔震和摩擦滑移隔震。但大部分研究限于单一的夹层橡胶垫支座或单一的摩擦滑移支座的研究3。由于复合隔震体系的发展相对比较晚，还没有人进行过深入研究，因而缺乏充足的设计和分资料。基础隔震是在上部结构和基础之间设置隔震层，通过隔震层的隔震系统来限制和吸收传入结构的地震能量。下面通过建筑物的地震反应谱来说明基础隔震的原理。下图为普通建筑物的加速度反应谱和位移反应谱。由于一般建筑物刚性大，周期短，所以当产生振动时的加速度大，而位移小。从图1中A，B两点看出，当延长建筑物的周期，阻尼不变时，则加速度被大大降低，位移却有所增加。同时如果增大结构的阻尼，加速度反应持续减弱，而且位移也得到了抑制，如C点4。(a)位移反应谱 （b）加速度反应谱 图1 减弱建筑物的地震反应的途径从以上可以看出，适当情况下延长结构的周期，能有效的控制建筑物的加速度，如果再给予结构适当的阻尼，结构的位移也可以控制在允许的范围内。结构的大位移主要由结构底部和基础之间的隔震系统来提供，这样既有效的减弱了结构的地震能量的输入，又不至于使结构变形过大而遭到破坏。这就是基础隔震的基本原理。2 现代基础隔震系统的组成相比以前的原木、滑石组成的隔震器而言，现代的隔震系统更加先进、可靠，也更趋于完善。这种系统由隔震器、阻尼器、地基微震动与风反应控制器装置等部分组成。上述几方面的功能组合起来，就形成了一个完整的基础隔震系统。必要时还需要设置安全保险构造。隔震器具有以下作用：1.支撑上部结构的重量；2.延长建筑物的自振周期，使结构的基频处于高能量地震频率的范围之外。隔震器本身具有一定的弹性，且地震产生的水平位移主要由隔震器来提供，由于它具有一定的恢复力特性，所以地震后能恢复到原来的位置。阻尼的作用是吸收地震的能量，抑制地震波长周期成分向上部结构的传导，从而减小了上部结构的大位移，并且能在地震过后帮助隔震器恢复到原来的位置。地基微震动与风反应控制器装置是为了提高隔震结构的早期刚度，使上部结构当遇到风荷载和轻微地震时不至于变形过大。安全保险构造是在万一个别隔震器失去工作能力的情况下，代替隔震器起支撑上部结构的作用，保证建筑物处于安全状态。常用的隔震器和阻尼器有： 3 并联隔震结构隔震体系虽具有诸多优点，但夹层橡胶垫隔震技术对于竖向地震动几乎没有隔离作用，而其并不能完全避免结构共振。摩擦滑移隔震技术不能自动复位，一般需另外的复位系统；滑动性能离散性大、不易控制，滑移量过大，有时可能导致穿越隔震层的非结构构件破坏，甚至可能出现滑移失稳。为了找到更为高效的隔震形式，提出了复合隔震的思想5。并联系统，图2所示为并联水平复合隔震体系的基本模式，复位弹簧可采用夹层橡胶垫、柔性钢棒、花瓣状弹簧和U形刚片等弹性复位元件，整个体系是具有弹塑性自复位特性的基底滑动复合隔震体系。如果复位弹簧采用竖向不承重的元件，就成为具有自复位特性的基底摩擦滑动隔震体系。如果并联机构中的弹簧采用夹层橡胶垫就成为图2b所示的情况，重力荷载可以由橡胶垫和滑移元件共同承担。这样做是有明显优点的。假如采用橡胶垫和滑移件各承担一半重力荷载的方案，从承压方面考虑，橡胶垫的尺寸和数量可以减少;同样，为了提供相同的摩擦力，摩擦系数可以加倍，这样就有可能采用比较便宜的摩擦材料。也就是说，从这两方面看，都可以降低隔震层的造价。但也应该看到，由于滑移件的存在，在水平位移过程中，橡胶垫压缩变形和水平刚度及滑移件上的摩擦力都会发生不同程度的变化，这时并联体系的滞回特性就具有时变特性，需要根据实际情况通过试验和分析加以确定，分析起来较为复杂。图2 并联复合体系单纯橡胶垫隔震方法具有很多优点，比如竖向承载力大；隔震效果明显和稳定；具有复位功能；耐久性好；施工简单等。摩擦滑移隔震结构，构造简单，造价低，施工方便，隔着原理清楚。滑移隔震存在的问题是无自复位能力，滑移位移控制困难，在地震序列作用下可能产生位移累积。摩擦滑移支座与橡胶垫隔震支座并联起来组成复合隔震形式自然地产生了。复合隔震方法可以减少橡胶垫的数量，用滑移支座承担部分建筑的重量。这种方法发扬了各自的优点，克服了各自的缺点，具有简单、可靠、造价低、隔震效果好、可自复位、设计灵活等特点。复合隔震结构隔震性能具有杂交的优势，当复合隔震的参数在某一合理范围时，隔震层的地震剪力达到一个最小值的同时，隔震层的位移反应也相对较小。3.1 橡胶隔震支座的特性橡胶隔震支座的特性可以由第一性状系数和第二性状系数来描述。第一性状系数S1：是指单层橡胶板的承载面积与单层橡胶的总自由表面积之比，它的大小体现了橡胶的竖向刚度和承载能力。计算公式如下： （1）其中，D为橡胶的直径，tR为橡胶板厚度。为了描述橡胶支座的稳定性，引入了第二性状系数S2，定义为：橡胶直径与橡胶总厚度之比，公式如下： （2）其中，N为橡胶层数。在设计时12，一般要求S1、S2需满足以下关系、。橡胶隔震支座的水平刚度可以用下述公式计算： （3）公式中G为剪切模量。该公式没有考虑竖向荷载的作用，因为当性状系数满足、时，竖向荷载对水平刚度的影响很小，可用上式近似计算。橡胶隔震支座的竖向刚度计算公式如下6： （4）其中Ecb为等效弹性模量系数，计算公式如下： （5）图3 夹层橡胶垫水平剪切QD曲线 图4 夹层橡胶垫竖向荷载P与竖向位移关系曲线3.2摩擦滑移支座的构造及力学性能摩擦滑移支座可看成由刚性部分(调整钢管) 、弹性部分(叠层橡胶) 和滑移面(摩擦和缝)串联组成的隔震装置，综合具有弹簧、摩擦和缝的特性，各组成部分如图5所示。图5 摩擦滑移支座组成摩擦滑移支座的铅直极限面压一般可达90MPa以上，由于橡胶层的剪应变较小，承载面压随橡胶层剪应变的增大基本不变，具有较大的竖向刚度和承载力。日本的隔震设计方法对于隔震支座的面压分长、短期荷载来控制，滑移支座长期面压限值通常可取用到20MPa ，短期面压可控制到30MPa，具有较大的安全储备。摩擦系数的面压相关性试验表明，摩擦系数随面压的增大而下降；摩擦系数的速度相关性试验表明，加载正弦波的速度在超过基准速度后，摩擦系数基本不变。通常，以基准速度和基准面压来确定弹性滑移支座的摩擦系数。 图6 弹性滑移支座水平回复力特性 图7 弹性滑移支座水平向滞回性摩擦滑移支座的初始水平刚度（K1）由叠层橡胶层提供，当滑移面开始滑移时，整个滑移支座的水平刚度变为零。图6给出了摩擦滑移支座简化的水平向恢复力特性。当摩擦滑移支座发生滑移时，由于摩擦力的存在，滑移面可以提供耗能能力。图7给出了摩擦滑移支座简化的水平向滞回特性，可给隔震层提供阻尼来消散地震能量7。结 论(1)并联复合隔震支座采用夹层橡胶垫支座和摩擦滑移支座并联复合而成。系统中，夹层橡胶垫支座提供系统的向心复位力，能自动复位，摩擦滑移支座滞回耗能，具有良好的耗能能力。这种复合隔震支座融合了前面两种隔震支座的优点，同时又改善了采用单一隔震支座的缺点，极大地提高了建筑结构的抗震能力，是一种简单、经济、有效、具有广泛应用价值的基础隔震支座形式。(2)采用并联复合隔震支座，上部结构的重力荷载可以由夹层橡胶垫支座和摩擦滑移支座共同承担。这样做是有明显优点的:一是减少了夹层橡胶垫支座的数量，增长了结构的自振周期;二是减小了屈服剪力，增加了阻尼;三是降低了造价。参考文献：1 周福霖.工程结构减震控制M.北京:地震出版社，19972 马东辉.建筑基础隔震技术系列讲座之四一基础隔震技术家族的新成员一建筑基础复合隔震体系J.工程抗震.1997 3 施卫星，吴广荣.滑板式基础隔震结构的滑