陜西土木建筑網(wǎng)首頁 > 學術(shù)研究 > 課題研究 > 兩種隔震結(jié)構(gòu)體系的力學機理分析及工程應用

摘要：我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第12章提到的隔震結(jié)構(gòu)僅指基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，針對此現(xiàn)狀，本文對比分析了基、礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系與層間隔震結(jié)構(gòu)體系的的工作原理、工程應用范圍等，探討了隔震技術(shù)至今發(fā)展緩慢的原因，提出了應用層間隔震技術(shù)改善底層框架上部砌體建筑的抗震性能，推動隔震技術(shù)的發(fā)展應用。...

兩種隔震結(jié)構(gòu)體系的力學機理分析及工程應用

董  靖

(中天建筑設(shè)計有限公司  475004)

1、引言

    為保證人民生命財產(chǎn)在強震中的安全，土木工程結(jié)構(gòu)要進行抗震設(shè)計。這種設(shè)計是否安全可靠又經(jīng)濟合理，在較大程度上決定于抗震設(shè)計思想及抗震技術(shù)。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)基于以“柔”克剛的思想，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)動力特性來避開與場地和上部結(jié)構(gòu)的共振危險性，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)備的“雙保護”要求。我國現(xiàn)已建成的隔震結(jié)構(gòu)還不足450棟，且大多是基礎(chǔ)隔震體系。基礎(chǔ)隔震就是在建筑上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層以隔離地震能量的房屋隔震技術(shù)，是我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)規(guī)范對象。盡管基礎(chǔ)隔震體系隔震機理明確，減震效果明顯，也適用于不同烈度和不同抗震要求的建筑物，但是也有不足：首先，基礎(chǔ)隔震限制了建筑物的高度；要求結(jié)構(gòu)剛度分布均勻；對于目前量大面廣的底層框架上部砌體結(jié)構(gòu)隔震效果不明顯。隨著隔震技術(shù)研究和應用的發(fā)展以及某些實際工程的特殊需求，在實際應用中出現(xiàn)了一些新的隔震體系。根據(jù)隔震層位置，有基礎(chǔ)隔震體系和層間隔震體系之分。層間隔震體系就是把隔震層設(shè)置在建筑中間層而形成的隔震體系。這種隔震技術(shù)與基礎(chǔ)隔震技術(shù)相比，也是減少地震動向上部結(jié)構(gòu)的傳遞．但能同時減小下部結(jié)構(gòu)振動，這是與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系不同的。鑒于基礎(chǔ)隔震體系發(fā)展現(xiàn)狀及層間隔震體系工程應用現(xiàn)狀，有必要對兩種隔震體系從結(jié)構(gòu)動力學角度出發(fā)，對它們的減震機理、減震效果、應用范圍等作充分的比較研究。

2、兩種隔震體系的減震原理

    2.1基本假定

    由于建筑結(jié)構(gòu)的平面尺寸相對地震波長較小，所以本文在建立隔震體系的動力微分方程時，采用以下三條假定：(1)一致輸入假定，即不考慮地震動的多點輸入的行波效應以及相干效應。(2)基礎(chǔ)為無限剛性基礎(chǔ)，因此理論分析的結(jié)果與振動臺試驗結(jié)果具有可比性。(3)隔震層所采用隔震支座為疊層橡膠隔震支座。

    2.2基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減震原理

    2.2.1基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動力分析模型

    (1)單質(zhì)點模型，假定上部結(jié)構(gòu)為剛體，在地震作用下，只作剪切型平動，結(jié)構(gòu)變形集中于隔震層，忽略上部結(jié)構(gòu)層間相對變形。由于地震作用水平分量占主要成分，并且隔震結(jié)構(gòu)的地震反應以基本振型為主，所以采用這種單質(zhì)點模型可以較為簡便的估算水平地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的反應。

    (2)多質(zhì)點計算模型，對于上部結(jié)構(gòu)較為高柔的高層隔震結(jié)構(gòu)，層問剛度相對較小，結(jié)構(gòu)的地震反應分析宜采用多質(zhì)點計算模型。這種基礎(chǔ)隔震模型是將隔震層，單獨作為一層，同時將上部結(jié)構(gòu)每層集中質(zhì)量化，假定結(jié)構(gòu)主要受到水平地震作用，不考慮扭轉(zhuǎn)振動．與單質(zhì)點模型不同的是，其認為上部結(jié)構(gòu)存在層間變形，其計算結(jié)果相對單質(zhì)點體系精度有所提高。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)規(guī)定，在一般情況下，只要保證一個振動方向上有前三階振型就可以滿足一般工程要求。因而在實際工程隔震設(shè)計時也多采用這種簡化的多質(zhì)點模型。

    (3)平動加轉(zhuǎn)動模型，對于較為高柔的隔震結(jié)構(gòu)，如多層鋼框架結(jié)構(gòu)或多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其層間剛度相對較小，豎向荷載較大．在地震作用下，可能產(chǎn)生豎向以及扭轉(zhuǎn)振動。需要考慮兩個方向平動u、V及一個方向的轉(zhuǎn)動0。

    2.2.2基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動力方程

    采用上述多質(zhì)點體系考慮平動和轉(zhuǎn)動的計算模型，見上圖3。假設(shè)隔震層上部平板為剛體，可同時產(chǎn)生平動和轉(zhuǎn)動。

    2.3層間隔震結(jié)構(gòu)減震原理

    2.3.1層間隔震結(jié)構(gòu)動力分析模型

    在層間隔震體系的工程設(shè)計中，采用的層間隔震體系的計算模型主要有以下三種：

    (1)兩質(zhì)點模型，將隔震層上部(含隔震層)結(jié)構(gòu)和隔震層下部結(jié)構(gòu)分別簡化成一個質(zhì)點，得到兩質(zhì)點模型。這種模型形式簡單，且突出了層間隔震結(jié)構(gòu)的主要影響參數(shù)，特別適用于層間隔震結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析。

    (2)三質(zhì)點模型，將隔震層上部結(jié)構(gòu)、隔震層及隔震層下部  結(jié)構(gòu)分別簡化成一個質(zhì)點得到三質(zhì)點模型。與兩質(zhì)點模型不同的是，三質(zhì)點模型將隔震層單獨作為一個質(zhì)點考慮。

    (3)多質(zhì)點模型，將結(jié)構(gòu)每一層當作一個質(zhì)點，得到多質(zhì)點模型。這種模型能直觀、且較為準確地反映層間隔震結(jié)構(gòu)各層動力反應，適用于具體結(jié)構(gòu)設(shè)計和時程分析。

    2.3.2以上建立的基礎(chǔ)隔震和層間隔震結(jié)構(gòu)的動力方程都可以采用時程分析法求解，由初始狀態(tài)開始逐步積分直至地震終止，求出結(jié)構(gòu)在地震作用下從靜止到振動直到振動終止的整個過程的地震反應(包括非線性地震反應)，根據(jù)具體假定的不同，有線性加速度法、Wilson一θ法，Newmark—β法等。在實際計算時，可以視具體情況選擇相應的算法求解。

3、實際工程比較分析及應用

    3.1工程算例

    本文以某7層底層框架上部砌體磚房建筑為例，利用編制的結(jié)構(gòu)動力分析程序，分析了其在三種工況下的結(jié)構(gòu)基本振型的地震位移反應。建筑結(jié)構(gòu)概況及工況如下。

    七層底層框架一抗震墻磚房，底層橫向有4道鋼筋混凝土抗震墻，縱向有5片鋼筋混凝土抗震墻，底層橫向外墻為磚抗震墻，縱向外墻也有一定數(shù)量的磚抗震墻．框架梁截面尺寸為300 X700mm，柱截面邊柱和中柱均為400 X500mm(框架梁柱及鋼筋混凝土墻的混凝土強度等級為C30。結(jié)構(gòu)二層以上為多層磚房，第l、2層磚墻的材料強度等級為：磚MUl0，砂漿 M7.5；第3—7層磚為MU7.5，砂漿為M5，該房屋建造地區(qū)的基本烈度為8度，場地為二類。

    工況：工況一為沒有進行隔震設(shè)計的傳統(tǒng)底層框架上部磚砌體結(jié)構(gòu)；工況二為在底層和基礎(chǔ)之間加設(shè)夾層橡膠支座的底層框架上部磚砌體的建筑；工況三為在底層和二層之間加設(shè)夾層橡膠支座的底層框架上部磚砌體的建筑。從左到右依次為工況一、二、三。

    現(xiàn)對三種工況利用編制的程序進行分析。對三種工況分別輸入相同的地震波，選取適合于2類場地土的南北向的埃爾森特羅波，地震時間間隔0.02秒，持續(xù)時間取30s。

    由上述算例所得的三種工況的結(jié)構(gòu)位移對比可以看出：(1)在相同的地震輸入下，相同場地上的純剪框架抗震性能最差，底層框架上部砌體的建筑結(jié)構(gòu)，雖利用了底層軟弱層一定程度。

    減少了上部結(jié)構(gòu)地震反應，但是在地震作用下，底部軟弱層容易形成變形集中，因而最易破壞；(2)針對我國城市目前存在的量大面廣的底層框架上部砌體的現(xiàn)狀，要提高這類房屋的抗震性能，采取本文提出的在底層和上部磚砌體第二層之間設(shè)置隔震層的層間隔震方法，可以提高整個結(jié)構(gòu)的抗震能力。(3)在底層框架上部磚砌體結(jié)構(gòu)中，層間隔震效果優(yōu)于基礎(chǔ)隔震。

    3.2應用范圍探討

    3.2.1基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的應用范圍

    基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)目前主要實際工程應用的情況有：常年住人或有密集人群而要求確保地震時人們生命安全的建筑物；地震時不損壞以免導致嚴重次生災害的建筑結(jié)構(gòu)物；地震區(qū)的重要建筑結(jié)構(gòu)物；內(nèi)部有重要設(shè)備儀器，需確保地震時不損壞的建筑物等；城市生命線工程等。

    3.2.2層間隔震結(jié)構(gòu)體系的應用范圍

    理論分析和試驗結(jié)果都表明采用層間隔震技術(shù)后，在常遇地震作用下，隔震支座水平變形變小，隔震層的上部各層位移并未明顯減少，而在罕遇地震作用下，隔震支座水平變形較大，它的減震效果在10％一40％之間，有效地消耗了地震能量，從而使隔震層的上部各層的位移有比較明顯的減少。同時由于隔震裝置上移到結(jié)構(gòu)的中間層或頂層，因而層間隔震體系具有較為廣泛的工程應用范圍。層問隔震體系的應用情況主要有：(1)底部框架，上部砌體或者塔樓結(jié)構(gòu)；(2)舊有房屋增層或者加固；(3)地形復雜、坡地等建筑場地；(4)特殊工作環(huán)境需要隔震層上移以保護隔震裝置免遭侵蝕的工程結(jié)構(gòu)。

4、結(jié)語

    上述兩種隔震體系各有所長。隔震設(shè)計時，對于不同類型的建筑結(jié)構(gòu)，要采用不同的隔震技術(shù)，需對隔震層位置設(shè)置加以優(yōu)化，才能達到最佳的隔震效果。總的來說，對于目前國內(nèi)量大面廣的底層框架上部砌體建筑，可以采用層間隔震技術(shù)，改善結(jié)構(gòu)抗震性能。

參考文獻

[1]劉晶波，杜修力，結(jié)構(gòu)動力學，機械工業(yè)出版社，2006

[2]高小旺等，底層框架一抗震墻磚房抗震能力的分析方法[J]，建筑科學，l995，(4)

[3]高小旺等，底層框架一抗震墻磚房的抗震性能[J]，建筑結(jié)構(gòu)，l997，(2)

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核) 

上一篇： 南陽府衙三堂維修工程初探

下一篇： 梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計要點