隔震結(jié)構(gòu)中隔震隔震器的研究與應(yīng)用

隔震結(jié)構(gòu)中隔震隔震器的研究與應(yīng)用

強(qiáng)烈的地震給世界人民帶來了巨大的災(zāi)難。由于人們尚不能準(zhǔn)確地估計(jì)結(jié)構(gòu)未來可能遭遇的地震動的強(qiáng)度和特性,結(jié)構(gòu)的抗震性能不具備自我調(diào)節(jié)與自我控制能力,因此在這種不確定性的地震作用下,結(jié)構(gòu)不能滿足安全性的要求,隔震與其它結(jié)構(gòu)控制技術(shù)確能為結(jié)構(gòu)控制提供嶄新的有效、經(jīng)濟(jì)、簡單、可靠的抗震方法。隔震技術(shù)已在各國得到了比較廣泛的關(guān)注,并廣泛運(yùn)用于各種房屋建筑、公路橋梁及結(jié)構(gòu)加固中。我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)增加了第12章來介紹隔震和消能減震設(shè)計(jì),編制了《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》(CECS126:2001)《建筑隔震橡膠支座》(JG118-2000)以及相關(guān)的構(gòu)造圖集、詳圖。在隔震結(jié)構(gòu)中隔震器起了關(guān)鍵的作用,各國特別是日本和新西蘭的學(xué)者對隔震器進(jìn)行了研究并將其運(yùn)用到實(shí)際中。本文主要介紹隔震器的最新研究及應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。1承建筑物的抗震性隔震部件分為支承和減震阻尼器兩大類,前者穩(wěn)定的支承建筑物的自重,后者在地震時抑制較大的變形,地震結(jié)束時則起到迅速中止晃動的作用。隔震支座大致分為疊層橡膠支座、滑板支座、滾動支座以及復(fù)合支座等。1.1天然疊層橡膠成分配裝置疊層橡膠墊隔震支座如圖1所示,由薄橡膠和薄鋼板交錯疊放若干層而成,利用疊層橡膠支承上部結(jié)構(gòu)。疊層橡膠隔震支座主要有普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座。天然疊層橡膠支座:只有彈簧功能,阻尼太小必須與阻尼器結(jié)合使用。鉛芯疊層橡膠支座:具有彈簧功能,并且充分利用周圍的疊層橡膠對鉛芯的約束力,達(dá)到提高吸收能量的效果但鉛芯塑性變形后無法恢復(fù)原來的形狀,因此大大降低了其恢復(fù)能力。高阻尼疊層橡膠支座:具有彈簧功能,加入的石墨等材料具有良好的阻尼性能,通過控制數(shù)量控制阻尼大小;在較小變形范圍內(nèi)有較大的阻尼。疊層橡膠墊隔震支座初始剛度不大,水平剛度小垂直剛度大,隔震效果良好,構(gòu)造簡單,性能穩(wěn)定,是目前各國應(yīng)用最多的隔震支座。1.2滑動支結(jié)構(gòu)分析滑板支座是在隔震結(jié)構(gòu)中設(shè)置摩擦阻尼器達(dá)到隔震效果。該方法是在基礎(chǔ)面上設(shè)滑移層或滑動層(砂墊層、石磨砂漿、聚四氟乙烯滑板、滑石粉、不銹鋼板等),利用滑移層使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)解耦,產(chǎn)生一定滑擦力。通過滑動現(xiàn)象隔斷一定的地震輸入,利用滑(滾)動產(chǎn)生的摩擦作為阻尼?；逯ё煞譃閺椥曰逯ё蛣偦逯ё鶅煞N。彈性滑板支座(圖2):彈性滑動支座是在疊層橡膠支座的下部固定滑動材料,利用疊層橡膠的形狀和材質(zhì),通過調(diào)整豎向剛度和開始滑動的位移來實(shí)現(xiàn)隔震,是天然疊層橡膠和阻尼器(滑板支座)組合利用的一種情況。剛滑板支座:剛滑板支座又分為平面滑板和球面滑板,其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中摩擦材料一般使用的是混合了各種填充材料或者輥軸支承。形狀扁平而小巧;適用于低層、形狀整齊的建筑屋?；逯ё哂休^大的初始剛度,在滑移時剛度的增量為零。當(dāng)?shù)孛嫠降卣鹆^大,超過了摩擦滑移裝置能夠提供的最大摩擦力時,滑移面開始滑移,摩擦滑移裝置開始發(fā)揮隔震作用,此時傳入上部結(jié)構(gòu)的地震力控制在一定的范圍內(nèi)。滑板支座隔震的方法是最經(jīng)濟(jì)的,建造的技術(shù)也不復(fù)雜,但基本上沒有復(fù)位功能,因此必須通過選用適宜的摩擦材料再匹配合適的限位復(fù)位裝置,才能更好的發(fā)揮其作用。1.3隔震裝置的設(shè)計(jì)除了以上兩種研究及運(yùn)用最多的隔震器之外還有如下幾種:滾動支座:滾動支座(圖4)中一般用球支座及在平面上配置鋼球,有的利用直動軸承。在地震作用下,滾動支座通過滾珠或輥軸的滾動達(dá)到隔震效果。目前研究較多的是滾球加彈簧復(fù)位隔震裝置,另一種是滾球帶凹槽板復(fù)位隔震裝置。復(fù)合支座:一般由滑板摩擦隔震支座和疊層橡膠支座并聯(lián)或者是串聯(lián)組成。并聯(lián)時疊層橡膠支座提供系統(tǒng)的向心復(fù)位力,滑板摩擦隔震支座滯回耗能,隔離地震;串聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系的隔震層初始剛度小,多遇水平地震作用下隔震效果好;罕遇水平地震作用下,滑移支座滑動,支座最大剪力受到控制,橡膠墊側(cè)移不會過大,隔震層的可靠性得到保障。這種隔震系統(tǒng)充分利用兩種隔震支座的優(yōu)點(diǎn),該系統(tǒng)具有良好的變形適應(yīng)能力。SMA(形狀記憶合金)支座:SMA(形狀記憶合金)支座(圖5),是將形狀記憶合金(SMA)索與普通橡膠支座復(fù)合。充分的利用了橡膠的剪切滯回能力和SMA絲的超彈性阻尼,使其在水平方向多向隔震、豎向抗拔,彌補(bǔ)了疊層橡膠的缺點(diǎn),構(gòu)造簡單,施工方便,具有很好的發(fā)展前景。鼓形鋼絲繩隔震器:鼓形鋼絲繩隔震器的上下夾板采用了圓形對稱結(jié)構(gòu)(圖6),使其在水平各方向上的剛度相等,采用斜夾式(300、450、600)裝配結(jié)構(gòu),提高了隔震器的承載力增大了動位移,鋼絲繩交左、交右捻向間隔布置,提高了隔震器的側(cè)向穩(wěn)定性和抗扭轉(zhuǎn)能力。利用豎向的剛度比較小達(dá)到豎向隔震的效果,滿足觸地爆、鉆地爆條件下的隔震結(jié)構(gòu)。鼓形鋼絲繩隔震器2002年已獲國家實(shí)用新型專利。FPS摩擦擺隔震裝置:摩擦擺隔震系統(tǒng)(圖7)采用滑動支撐與多層橡膠并用,不銹鋼表面做成凹球面,由結(jié)構(gòu)的自重分量形成恢復(fù)力。摩擦擺(FPS)隔震系統(tǒng)利用球面和滑道之間的滑動來隔震,特有的圓弧滑動面使其具有自復(fù)位功能,無需附設(shè)阻尼向心機(jī)構(gòu),具有良好耗能機(jī)制和穩(wěn)定性,使其在實(shí)際應(yīng)用中更為簡便,這種形式在美國改建工程中常使用?！皻饽弧备粽?由于氣體的可壓縮性而被廣泛的運(yùn)用作減震材料,氣體被封閉于一定的容器中做成了氣體彈簧。氣幕位于壩體上游面和庫水之間,在地震或爆破過程中受到壩體和庫水的雙向擠壓,經(jīng)氣幕緩沖后降低了動水壓力。氣幕的主要目的是減小水工建筑物在地震作用下受動水壓力的影響,利用“氣幕”隔震減小了地震或爆震中動水壓力。各國學(xué)者還開發(fā)出了許多隔震系統(tǒng)比如為了降低隔震系統(tǒng)的造價和取得最優(yōu)隔震效果而采用的各種復(fù)合隔震系統(tǒng),考慮三維隔震而開發(fā)出的彈簧隔震系統(tǒng)(日本免震構(gòu)造協(xié)會,1998),懸掛、懸浮、頂支撐隔震體系等(NaeimF等,1999)隨著隔震技術(shù)的發(fā)展,相信越來越多的隔震系統(tǒng)會陸續(xù)出現(xiàn)。2與其他隔震器的配合使用早期隔震器的利用在世界范圍內(nèi)一些古建筑可以看出,如我國的故宮博物院和大雁塔,日本的法隆寺五重塔和鐮倉大佛等,這些早期的隔震建筑多是采用滾木或滑石片作為隔震元件?，F(xiàn)代最早的隔震建筑大概是南斯拉夫的貝斯特羅棋小學(xué),其采用天然橡膠隔震墊。1981年在新西蘭建成了世界上首座采用鉛芯橡膠墊做隔震元件的建筑物惠靈頓威廉克雷頓(WilliamClayton)大樓。1984年,美國加州福希爾司律師事務(wù)中心落成世界上首次使用高阻尼橡膠支座隔震的建筑物。由于隔震器有各自不同的特性,及應(yīng)用的范圍也不同。普通橡膠支座阻尼較小,在水平地震力較大時變形大,故一般與阻尼器(如鉛阻尼器、油阻尼器、鋼棒阻尼器、粘彈性阻尼器、滑板支座等)、鉛芯橡膠支座或高阻尼橡膠支座配合使用。徐州市奎山小區(qū)住宅樓,地上6層(帶閣樓)的磚混結(jié)構(gòu)就是利用普通橡膠支座和摩擦滑移隔震支座并聯(lián)組成的隔震支座來隔震的。阻尼依賴于應(yīng)變頻率和幅值,高阻尼橡膠支座對高頻波的隔震效果較好,及對場地條件好的結(jié)構(gòu)隔震效果明顯,但在罕遇地震作用下,水平位移較大。鉛芯橡膠支座在罕遇地震作用下水平位移較小,但是對于高頻波的隔震效果相對較差,且上部結(jié)構(gòu)高振型影響較大。鑒于高阻尼橡膠支座以及鉛芯橡膠支座的優(yōu)點(diǎn)及隔震技術(shù)成熟,各自在各國隔震結(jié)構(gòu)中得到廣泛的運(yùn)用。新西蘭議會舊議會大廈和議會圖書館利用在建筑的基礎(chǔ)上安裝了共514個鉛芯橡膠支座和大阻尼橡膠支座進(jìn)行加固?；聘粽鹣到y(tǒng)受到關(guān)注是因?yàn)檫@種隔震系統(tǒng)造價較低,并且由于滑動現(xiàn)象沒有固定周期,所以不與特定周期地震波存在特別強(qiáng)的相應(yīng),可以在寬頻域內(nèi)獲得隔震效果。但是滑移隔震系統(tǒng)滑動摩擦力較大,一般只適宜用于剛度較大的磚混結(jié)構(gòu)或輕型結(jié)構(gòu)的隔震,不宜用于框架結(jié)構(gòu)。但可以與其它的隔震器合用充分利用其優(yōu)點(diǎn)克服缺點(diǎn)。廣州大學(xué)行政辦公樓為目前我國單體面積最大的隔震結(jié)構(gòu),單體建筑面積約30000㎡,利用了普通疊層橡膠支座、鉛芯支座及彈性滑板支座三種類型的隔震支座。根據(jù)隔震位置的不同,隔震器除了用于基礎(chǔ)隔震以外還可以利用于層間隔震和屋頂隔震,層間隔震結(jié)構(gòu)不但能減小一層樓板的費(fèi)用,也不需要為系統(tǒng)提供額外的空間,還可減小隔震支座的費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益明顯。在福建省吉源花園小區(qū)興建了一批層間隔震建筑,隔震層設(shè)在一層柱頂,振動臺試驗(yàn)表明,采用層間隔震有效地減少了上部結(jié)構(gòu)的地震作用。文獻(xiàn)中一座1960年的4層磚砌房屋需要增加一層,采用在屋面隔熱板的下面安裝橡膠隔震支座的方法來保證它的抗震設(shè)防。3隔震建筑的應(yīng)用最近20多年對不同的隔震器的研究試驗(yàn)非常多,隔震結(jié)構(gòu)已有很廣泛的運(yùn)用。隔震技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展呈現(xiàn)出如下幾個特點(diǎn):①隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍更廣,數(shù)量更多。早期主要用于核電站、電訊樞鈕、醫(yī)院等重要建筑物,近年來已在住宅、辦公樓、學(xué)校等一般性民用建筑中應(yīng)用;對舊結(jié)構(gòu)的加固已成為隔震技術(shù)的一個很有發(fā)展前景的應(yīng)用方向。②隔震建筑的結(jié)構(gòu)形式日趨多樣化,不僅應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),還應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等。③隔震技術(shù)在高層建筑的應(yīng)用成為必然,因此隔震系統(tǒng)的研究開發(fā)必須向多樣化發(fā)展,力求揚(yáng)長避短。為了滿足應(yīng)用要求,隔震器有以下的發(fā)展趨勢:①研制新型阻尼器以有效地控制結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)特征。用于制作阻尼器的材料已經(jīng)從傳統(tǒng)的橡膠與高分子材料、水和油等液體發(fā)展到電磁材料上。新型阻尼器必定帶來相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法的變化,推動隔震技術(shù)在結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的發(fā)展。②現(xiàn)有的隔震器缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)能