劉昱彤

基礎(chǔ)隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探討

劉昱彤

簡(jiǎn)要說明了基礎(chǔ)隔震技術(shù)的基本概念及原理,并對(duì)基礎(chǔ)隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)面臨的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討,同時(shí),對(duì)中國(guó)、美國(guó)和日本抗震規(guī)范中基礎(chǔ)隔震的設(shè)計(jì)思想等進(jìn)行了比較分析,以指導(dǎo)實(shí)踐。

基礎(chǔ)隔震,抗震規(guī)范,設(shè)計(jì)思想

0 引言

基礎(chǔ)隔震技術(shù)作為一種有效的被動(dòng)控制技術(shù),以其優(yōu)良的減震效果及經(jīng)濟(jì)適用性得到工程界的普遍認(rèn)可,并已在國(guó)內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用;與此同時(shí),基礎(chǔ)隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)也面臨著一些關(guān)鍵問題,如隔震裝置的力學(xué)性能、隔震裝置的耐久性、隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析方法及隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理選擇輸入地震動(dòng)等,本文將就上述一些問題進(jìn)行探討,同時(shí),通過比較各國(guó)規(guī)范中隔震設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)思想等的差異,為我國(guó)基礎(chǔ)隔震的應(yīng)用和發(fā)展提供有益的建議。

1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的概念及原理

1.1 基礎(chǔ)隔震的基本概念

基礎(chǔ)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)頂面之間合理設(shè)置某種隔震裝置來達(dá)到建筑物與地震隔離的目的。它包括上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)三部分。通過調(diào)整或改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,由隔震層的隔震裝置吸收并消耗主要地震能量后,僅有少部分能量傳到上部結(jié)構(gòu),明顯衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),地震發(fā)生時(shí)建筑物只產(chǎn)生較輕微運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)處于彈性階段,從而保證建筑物內(nèi)人員、設(shè)備的安全。

1.2 基礎(chǔ)隔震的基本原理

基礎(chǔ)隔震原理可以用單自由度彈性體系的地震反應(yīng)譜來說明。圖 1,圖 2為建筑結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜示意圖,一般低層和中高層的鋼筋混凝土建筑物剛性大,周期短,在地震作用下,加速度反應(yīng)大,位移反應(yīng)小,即為圖中 A點(diǎn)。延長(zhǎng)建筑物周期,阻尼保持不變,則加速度反應(yīng)降低,位移反應(yīng)增加,即為圖中 B點(diǎn)。在延長(zhǎng)建筑物周期的同時(shí),加大結(jié)構(gòu)阻尼,則加速度反應(yīng)減小,位移反應(yīng)得以抑制,即為圖中 C點(diǎn)。由此可見,適當(dāng)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期,并給予恰當(dāng)?shù)淖枘峥捎行Ы档徒Y(jié)構(gòu)反應(yīng)。而位于結(jié)構(gòu)底層的隔震裝置,則實(shí)現(xiàn)了二者的有機(jī)結(jié)合,它能夠安定持續(xù)的支承建筑物重量,追隨建筑物水平變形,具有適當(dāng)彈性恢復(fù)力,能夠耗散地震輸入的能量,使得上部結(jié)構(gòu)甚至在遭受罕遇地震時(shí),依然可以保持彈性工作狀態(tài),僅發(fā)生近似平動(dòng)。

2 基礎(chǔ)隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的若干關(guān)鍵問題

2.1 隔震裝置的力學(xué)性能

國(guó)內(nèi)外隔震結(jié)構(gòu)目前技術(shù)比較成熟,并已在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的隔震裝置是夾層鋼板與橡膠層緊密粘結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)型夾層橡膠隔震墊。橡膠支座基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)通常可分為隔震器和阻尼器兩大部件,其力學(xué)性能主要通過第一形狀系數(shù) S1(橡膠支座中每層橡膠支座的有效承壓面積與其自由表面積之比)和第二形狀系數(shù)S2(橡膠支座有效承壓體的直徑與橡膠總厚度之比)來決定。

2.2 隔震裝置的耐久性

按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),大部分建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為 50年。實(shí)踐表明,隔震支座的工作壽命可超過 50年。如澳大利亞墨爾本某鐵路橋使用橡膠支座[1],于 1889年建成,已使用 100多年,老化深度僅為 5mm。目前的橡膠隔震支座產(chǎn)品,大都采取了外圍保護(hù)層以及抗老化劑、阻燃劑等措施,壽命可達(dá)到或超過房屋設(shè)計(jì)使用年限。即使隔震層部件在房屋設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)需要改裝、更換,其施工也是不難操作的。

2.3 隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析模型

隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型主要分為單質(zhì)點(diǎn)隔震體系和多質(zhì)點(diǎn)隔震體系,其中單質(zhì)點(diǎn)隔震體系是將上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體,不考慮上部結(jié)構(gòu)的層間位移。其體系的恢復(fù)力模型是隔震層的雙線性恢復(fù)力模型,體系的剛度采用隔震層的剛度,體系的質(zhì)量采用上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量,不考慮隔震層的質(zhì)量。多質(zhì)點(diǎn)隔震體系是將隔震層作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)計(jì)入結(jié)構(gòu)體系。上部結(jié)構(gòu)采用層間剪切模型,從而形成“串連多質(zhì)點(diǎn)體系”模型。多質(zhì)點(diǎn)隔震體系是將基礎(chǔ)隔震層作為第一個(gè)基本單元,其剛度為隔震支座的剛度,上部結(jié)構(gòu)仍然將各樓層視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。

2.4 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理選擇輸入地震動(dòng)

輸入地震波的周期成分對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)影響很大,若輸入地震波的短周期成分較多,則隔震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)值會(huì)越小,反之,若長(zhǎng)周期成分較多,則隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)值會(huì)越大。故在對(duì)隔震結(jié)構(gòu)作時(shí)程分析時(shí)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡x擇合適的地震波。

3 關(guān)于中、美、日三國(guó)規(guī)范基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)思想的比較

中國(guó)、日本和美國(guó)三個(gè)國(guó)家建筑抗震規(guī)范[2-4]的有關(guān)規(guī)定不但與三國(guó)的地震背景、區(qū)劃方法、衰減規(guī)律等技術(shù)問題有關(guān),還與設(shè)防水準(zhǔn)、設(shè)防目標(biāo)有關(guān),而且在很大程度上取決于經(jīng)濟(jì)和行政的決策。而三國(guó)在隔震技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上也不盡相同,如表 1所示。

表1 中、美、日三國(guó)規(guī)范中關(guān)于隔震技術(shù)的比較

從表 1可以看出：這三國(guó)規(guī)范都規(guī)定隔震建筑應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的硬土場(chǎng)地。日本限定在 1,2類型的場(chǎng)地,中國(guó)限定在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類型的場(chǎng)地,美國(guó)限定在A,B,C,D類型的場(chǎng)地。同時(shí),也限定了隔震建筑的最大高度,日本規(guī)定隔震建筑高度不超過60m,中國(guó)的不超過 40m,美國(guó)的不超過 19.8m。美國(guó)還規(guī)定原不隔震結(jié)構(gòu)的基本周期要趨于1 s,而中國(guó)的要小于 1 s,日本則規(guī)定只考慮隔震支座的剛度時(shí)隔震結(jié)構(gòu)的周期大于 2.5 s。中國(guó)和美國(guó)都規(guī)定為基礎(chǔ)隔震,即結(jié)構(gòu)第一層以下的部位,且隔震支座不允許受拉,而日本則不限。由于日本隔震建筑的高度較高,因此,它還規(guī)定了隔震層的剛度中心和上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心的最大偏心率為 3%。日本強(qiáng)震作用下的隔震結(jié)構(gòu)需用時(shí)程分析法來計(jì)算,我國(guó)和美國(guó)的隔震結(jié)構(gòu)在一般情況下都采用時(shí)程分析法計(jì)算,也可基于反應(yīng)譜的等效線性化的靜力簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。在應(yīng)用等效線性化分析方法時(shí),在結(jié)果中需要考慮一些安全系數(shù),而時(shí)程分析方法可以不考慮。

由于三個(gè)國(guó)家的國(guó)情不同,在抗震設(shè)防目標(biāo)、抗震設(shè)防水準(zhǔn)及抗震設(shè)計(jì)方法上都不相同,適用的范圍有各自的針對(duì)性,但在隔震設(shè)計(jì)思想方面及動(dòng)力分析等方面都是基本相同的。

4 結(jié)語

相比傳統(tǒng)以剛克剛的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想,基礎(chǔ)隔震技術(shù)開辟了一條以柔克剛的結(jié)構(gòu)抗震新思路。在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí),也可降低造價(jià)達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的目的。在應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)時(shí),國(guó)內(nèi)外基本上都形成了較為完整的成套技術(shù),相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范也已基本成型,但依然存在著一些關(guān)鍵問題有待理論上的完善,對(duì)這些問題的關(guān)注和解決對(duì)于進(jìn)一步的完善基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)和提高我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震水平都具有重要意義。

[1]CECS 126∶2001,疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程條文說明[S].

[2]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]FEMA,1997,NEHRPGuidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings,FEMA-273(Washington,D.C.：Federal Emergency Management Agency).

[4]ICC,2002,2003 International Building Code,Falls Church,VA：International Code Council.

On exp loration for foundation seism ic isolation technique in architectural structures

LIU Yu-tong

The paper briefly indicates the basic concepts and the ideas for the foundation seismic isolation technique,exp lores some key problems in the application of the foundation seismic isolation technique in architectural structures,and undertakes the analysis and comparison for the design ideas for the foundation seismic isolation in the anti-seism ic regulations in China,America and Japan,so as to direct the practice.

foundation seismic isolation,anti-seismic regulation,design ideas

TU352.12

A

1009-6825(2011)09-0036-02

2010-12-05

劉昱彤(1981-),男,太原理工大學(xué)建工學(xué)院工程碩士研究生,工程師,山西省建筑設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030001