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防震減災專題
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建筑結構隔震技術及其應用
來源:網站標題    時間:2017/1/21 9:48:42    瀏覽:6279  次

汶川地震后隔震建筑受到國人的關注,隔震建筑大量涌現,本文簡要介紹隔震技術中所應用的建筑隔震支座的類型及隔震技術在實際典型工程建設和加固中的應用。


建筑用隔震支座主要分兩大類:橡膠隔震支座和滑動隔震支座。國內大量使用的是橡膠隔震支座。目前國產的橡膠隔震支座由于質量可靠,性能優良,已成功出口。

1   橡膠隔震支座

1.1 普通橡膠隔震支座(NRB)和鉛芯橡膠隔震支座(LRB

普通橡膠墊支座由薄橡膠板與薄鋼板分層交替疊合在高溫、高壓下整體硫化而成,橡膠層與鋼板緊密結合確保了鋼板對橡膠層的變形約束,使其具有較高的縱向受壓承載能力和水平變形能力。時程分析時,普通橡膠計算模型為簡單彈性模型。當計算需要考慮受拉時,應取折線形彈性模型,見圖1。


鉛芯橡膠隔震支座(圖2)則是在普通橡膠隔震支座中開孔注鉛而成,具有較高的阻尼,能有效降低結構的地震作用,減小隔震層的位移。


時程分析時,鉛芯橡膠隔震支座采用雙剪Wen模型,見圖3。

橡膠隔震支座的生產工藝基本成熟,但在材料性能方面還有改進和提高的空間。隔震橡膠支座的耐久性能取決于橡膠。影響橡膠耐久性能的主要原因是氧化反應和蠕變。在橡膠中摻入抗氧化劑,以及采用耐久性能好的橡膠作防護層,可大大提高隔震橡膠支座的耐久性,目前國內生產的隔震橡膠支座的壽命已與建筑物的壽命相當。

在建筑隔震設計中很少對橡膠支座進行分析驗算,只要求橡膠隔震支座的各項指標滿足規范要求,設計人員驗算軸向力作用下隔震支座的應力以及變形是否滿足限值要求即可。

1.2 高阻尼橡膠隔震支座(HDR

目前國內隔震設計普遍采用鉛芯橡膠支座,在大變形階段,鉛芯易被擠壓導致不易復位,而且鉛對環境也有影響,因此,高阻尼橡膠支座將成為鉛芯橡膠隔震支座的替代產品。目前高阻尼橡膠支座在日本已開始廣泛使用,我國尚處于起步階段。HDR(Ⅰ)型高阻尼橡膠隔震支座結構示意見圖4。



2   滑動隔震支座

滑動隔震在隔震層中設置滑動材料,使基礎向上部結構只能傳遞有限地震作用力,達到?;ど喜拷峁溝男Ч?。其動力學特點是滑動前整個系統的自振周期與結構周期相同,一旦滑動后,隔震層的剛度為零,整個系統的自振周期變成無窮大,因此滑動隔震能避開任何地震波產生的共振效應。此外,隔震層摩擦力做功能消耗結構的振動能量,增加結構阻尼,降低結構地震反應。比較成熟有滑板式隔震支座和摩擦擺隔震支座。


2.1 滑板式隔震支座

滑板式隔震支座見圖5,滑移摩擦面一般采用聚四氟乙烯(PTFE,俗稱特氟?。┯氬恍飧職褰喲ッ?、不銹鋼板與不銹鋼板接觸面以及石墨、砂墊層接觸面等。



滑板式隔震支座屬純摩擦滑動隔震系統,缺點是隔震層變形較大,且不能自動復位,震后大的變形較難處理。有專家開發了能夠自復位的滑板式隔震支座(圖6)。


時程分析時,滑動隔震支座可采用庫侖摩擦滯回曲線或雙線性滯回曲線計算模型,見圖7。

滑移隔震結構由于在支座處上下斷開,極易產生傾覆失穩問題,若無附加抗傾覆措施,地震下的抗傾覆力矩只由自重提供。目前國內在建筑行業還沒有滑板式隔震支座在建筑隔震中使用的規范和產品標準,因此在國內的應用受到一定限制。

2.2 摩擦擺隔震支座(FPS

摩擦擺隔震裝置(簡稱FPS)是一種具有自復位能力的摩擦隔震體系,其支座構造見圖8。FPS摩擦擺隔震裝置能夠有效地延長上部結構的自振周期,減少地震作用對上部結構的影響,上部結構層間位移和加速度大大減少,具有良好的穩定性和限位復位功能,因此不僅可以預防結構的損壞,而且還能夠保障結構物內設備及人員的安全,不失為一種有效的隔震消能裝置。


3   混合隔震

混合隔震又稱為組合隔震或并聯復合隔震,由橡膠支座和摩擦滑動支座組成,其中橡膠支座提供系統的彈性復位力?;旌匣聘粽鶼低車淖哉裰芷謨辛礁觶夯拔峁棺哉裰芷?;滑動后則變為橡膠支座隔震結構周期。圖9為日本某高層建筑隔震的隔震支座布置圖,其中布置了橡膠隔震支座(圓形標志)和摩擦滑動隔震支座(方形標志)。


4  規范標準

2001版抗震規范規定了隔震結構的應用范圍:1)規定應在8,9度抗震設防的地區使用;2)要求結構在非隔震條件下的基本周期小于1.0s。

  這兩個條件大大束縛了隔震建筑的應用。規范的本意是滿足這兩個條件,隔震結構設計能夠較為經濟。在低烈度區,結構設計往往按構造要求設計,隔震結構顯示不出優越性。但是,由于這個規范條文是強制條文,給很多業主造成了誤解。結構周期小于1s的規定主要是限于當時的技術條件,周期大于1s,隔震后結構的減震效率不高,尤其是高層建筑,當時的規范認為隔震效果不大。

2010版抗震規范對這兩項作了重大修改。首先,規范明確隔震是一種有效減輕地震災害的技術,適合任何地區使用,當一個地區發生超烈度地震時,隔震建筑往往能夠有效起到抗倒塌的效果。其次,取消了不隔震時的結構基本周期小于1.0s的限制,對周期大于1.0s的建筑,采用一些先進的隔震方法,如混合隔震(采用橡膠隔震支座和滑動隔震支座),依然能夠取得非常好的隔震效果。

  基于人們對隔震建筑抗傾覆的擔憂,對其高寬比作了限制,規定隔震建筑高寬比不宜大于4,此時能夠基本保證多遇地震下隔震結構基礎不出現拉應力。

      隔震技術是一項卓有成效的減震技術,歷次地震中隔震建筑的表現良好。目前我國已有越來越多的公共建筑采用這項技術,更多的房地產開發商也開始關注并嘗試采用這項技術,相信在未來隔震技術將獲得更廣泛的應用。

本文摘自2014年1期《減震技術通訊》文章:《建筑結構隔震技術現狀與應用》,作者:薛彥濤,單位:中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司。