大跨度空間結(jié)構(gòu)的隔震研究
摘 要： 近年來，隨著我國工程科學(xué)與技術(shù)水平飛速發(fā)展，大型、復(fù)雜工程建設(shè)項(xiàng)目大量興建，建筑高度越來越高、跨度越來越大、結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜，采用工程技術(shù)措施提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，已成為目前減輕災(zāi)害損失最為有效的途徑。但目前大跨度空間結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)還不成熟，有待于進(jìn)一步的研究，基于此，本文主要闡述了夾層橡膠支座的相關(guān)理論，首先介紹了夾層橡膠支座的基本構(gòu)成和分類。然后介紹了夾層橡膠支座的隔震機(jī)理及其動力分析原理。最后，介紹夾層橡膠支座基本力學(xué)性能，包括其形狀系數(shù)、豎向性能和水平性能。使讀者對夾層橡膠支座有了深刻地認(rèn)識，為本文后續(xù)夾層橡膠支座的設(shè)計(jì)及參數(shù)的修改奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 大跨度空間結(jié)構(gòu)； 夾層橡膠支座； 隔震機(jī)理
中圖分類號： TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1009-8631（2012）（11-12）-0055-01
1 基礎(chǔ)隔震的基本原理和優(yōu)點(diǎn)
傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的剛度和延性來抵御地震作用，即由結(jié)構(gòu)本身來存儲和消耗地震能量，以滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的要求。按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到較大的地震動響應(yīng)時(shí)不具備自我調(diào)節(jié)與自我控制的能力，而人們又不能準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)未來可能遭遇的地震的強(qiáng)度和特性，由于這種不確定因素存在，當(dāng)遭遇到強(qiáng)地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)很可能產(chǎn)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌，而不能夠滿足安全使用的要求。隔震結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是通過采用一定的隔震裝置使結(jié)構(gòu)部件與其可能引起振動的上部結(jié)構(gòu)隔離開來，使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部件與可能引起的上部結(jié)構(gòu)振動的支座隔離開來，通常隔震裝置設(shè)置在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部位，所以又稱為基礎(chǔ)隔震。隔震結(jié)構(gòu)的基本目的，就是要避免地震作用傳到上部結(jié)構(gòu)或減少傳到上部結(jié)構(gòu)的地震作用，把本應(yīng)傳到上部結(jié)構(gòu)的地震作用隔離開來�，F(xiàn)在所使用的夾層橡膠隔震支座剛好滿足要求，一方面承受結(jié)構(gòu)的所有豎向荷載，另一方面提供適當(dāng)?shù)乃絼偠�，延長建筑物的自振周期，避開了場地的卓越周期，且橡膠支座本身具有足夠的變形能力和自復(fù)位能力。當(dāng)遇到強(qiáng)度較大的地面運(yùn)動時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部也只發(fā)生中等程度的運(yùn)動，另一方面，橡膠支座減小的剛度和較大的阻尼有效的降低了傳入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，從而降低了上部結(jié)構(gòu)的位移、加速度等的地震反應(yīng)。與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)相比，隔震結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)及優(yōu)越性：
�。�1）有效的降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。從已建造的隔震結(jié)構(gòu)在地震中的強(qiáng)震記錄及震動臺的地震模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，隔震體系的上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)只相當(dāng)于非隔震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的1/12～1/4。這種減震效果是一般傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)無法達(dá)到的，從而非常有效地保護(hù)整個(gè)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施的地震中免遭破壞。
（2）安全性。首先，在地面劇烈震動時(shí)，上部結(jié)構(gòu)仍能處于正常的彈性工作狀態(tài)，特別適用于某些重要建筑物和內(nèi)部有重要設(shè)備的建筑物。其次，隔震裝置具有較大的豎向承載能力，可確保建筑物在使用狀況下的安全。
�。�3）經(jīng)濟(jì)性。由于隔震體系上部結(jié)構(gòu)吸收的地震能量大大減少，使上部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的斷面、配筋減少，造價(jià)大大降低。從表面上看雖然隔震裝置要增加造價(jià)，但事實(shí)上建筑總價(jià)還是降低了。
�。�4）抗震措施簡單�？拐鹪O(shè)計(jì)的對象從考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)物轉(zhuǎn)變?yōu)橹豢紤]隔震裝置，設(shè)計(jì)施工大大簡化。
�。�5）震后修復(fù)方便。地震后，只須對隔震裝置進(jìn)行必要的檢查更換，無須考慮建筑結(jié)構(gòu)物本身的修復(fù)，可很快恢復(fù)正常生產(chǎn)和生活，這將帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
（6）靈活性。采用隔震裝置后，上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用大大減小，避免了上部結(jié)構(gòu)建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的很多限制。
2基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的基本特性
為了達(dá)到明顯的減震效果，隔震裝置必須具備以下四項(xiàng)基本特性：
�。�1）較大的豎向承載力。隔震裝置的豎向承載力必須滿足要求，使建筑物在承受上部荷載的作用下能夠安全使用，另外，保證隔震裝置的豎向承載力具有一定的安全系數(shù)，確保建筑物在使用階段和地震發(fā)生時(shí)具有足夠的安全儲備。
�。�2）隔震特性。隔震裝置的水平剛度可以調(diào)節(jié)，在微小地震或強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)，隔震裝置的水平剛度較大，使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生的較小相對位移從而保證結(jié)構(gòu)正常使用。在罕遇地震發(fā)生時(shí)，隔震層水平剛度不是很大，上部結(jié)構(gòu)發(fā)生整體滑動，使得柔性的隔震體系代替了剛性的抗震體系，延長了結(jié)構(gòu)的基本周期避開了場地的特征周期，使上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯的降低了，而且加速度響應(yīng)可降低為非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的1/12～1/4。
�。�3）復(fù)位特性。由于隔震裝置具有水平彈性恢復(fù)力，可保證結(jié)構(gòu)在地震中具有瞬時(shí)自動復(fù)位功能，地震后可恢復(fù)到初始狀態(tài)，滿足正常的使用功能。
�。�4）阻尼消能特性。隔震裝置具有足夠的阻尼，從而有較大的耗能能力。
總之，對工程基礎(chǔ)進(jìn)行隔震處理，既有經(jīng)濟(jì)性，又可提高工程的抗震性。確保建筑物在使用階段和地震發(fā)生時(shí)具有足夠的安全儲備。
3夾層橡膠支座的基本構(gòu)成
夾層橡膠支座是由橡膠層和夾層鋼板分層疊合經(jīng)高溫流化粘結(jié)而成。
�。�1）橡膠層（厚tr）和夾層鋼板（厚ts）緊密粘結(jié)，保證鋼板能夠約束橡膠層的變形，確保橡膠層水平向能夠抵抗反復(fù)荷載的疲勞作用和足夠的變形能力，豎向具有相當(dāng)?shù)目估芰妥銐虻某袎耗芰�。要保證在多遇地震作用下隔震裝置沒有損壞處于安全工作狀態(tài)，在罕遇地震作用下能夠保證建筑物的安全，隔震裝置沒有損壞或經(jīng)修復(fù)后可以繼續(xù)使用。
�。�2）側(cè)向安裝保護(hù)層，保護(hù)橡膠層的耐火性、耐水性等，使之有較高的耐臭氧老化和高低溫老化的性能。
�。�3）為使夾層橡膠支座阻尼滿足要求，橡膠層中要灌入高阻尼橡膠材料或鉛芯或具有粘性的材料芯。
�。�4）上下連接板，保證橡膠支座能夠與上下構(gòu)件可靠安全連接。
4夾層橡膠支座的隔震機(jī)理
隔震結(jié)構(gòu)就是當(dāng)?shù)卣鹱饔脮r(shí)，能夠通過隔震裝置把地震力與上部結(jié)構(gòu)隔離，限制或減少地震波向上部結(jié)構(gòu)傳遞，控制上部結(jié)構(gòu)在地震中的變形、內(nèi)力等地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的安全性能。從地震工程學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)的角度對隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，中低層建筑自振周期一般處于0.1s～1.0s之間，與場地特征周期相重合容易發(fā)生共振，采用隔震裝置使地震作用集中在隔震支座而不傳遞到上部結(jié)構(gòu)，從而確保地震作用下建筑物的安全；與中低層建筑相比，超高層建筑自振周期較長，傳到上部結(jié)構(gòu)的地震能量被各層結(jié)構(gòu)分?jǐn)�，超高層建筑具有較好的柔性。
一般建筑物在地震作用下的加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜�？拐鸾Y(jié)構(gòu)的中低層建筑剛度大，柔性小，地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)譜比較小，加速度反應(yīng)譜比較大，結(jié)構(gòu)位移地震反應(yīng)譜的A點(diǎn)。采用隔震技術(shù)的中低層建筑，隔震裝置吸收大量的地震能量，減小了傳到上部結(jié)構(gòu)的地震作用，延長了上部結(jié)構(gòu)自振周期，上部結(jié)構(gòu)層間位移較小，結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)譜相應(yīng)減小，結(jié)構(gòu)位于地震反應(yīng)譜的B點(diǎn)，但是隔震層的位移增大，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體平動，甚至?xí)^隔震裝置位移限值。當(dāng)隔震層位移較大時(shí)，必須在隔震層設(shè)置阻尼元件或改變隔震材料性能，增大隔震層的阻尼，有效控制隔震裝置水平位移。
5基礎(chǔ)隔震體系結(jié)構(gòu)動力分析原理
目前基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)多用于中、高層建筑，高寬比較小、上部結(jié)構(gòu)水平層剛度較大的建筑物。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的層間剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隔震裝置的水平剛度時(shí)，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下只做整體水平滑動，為簡化計(jì)算，在一般情況下可將上部結(jié)構(gòu)近似簡化為單質(zhì)點(diǎn)體系，并且可忽略上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用，且隔震結(jié)構(gòu)體系的剛度和阻尼也可近似用隔震裝置的剛度和阻尼來代替。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)層數(shù)較多，高寬比較大、層間剛度較小時(shí)，上部結(jié)構(gòu)須簡化為多質(zhì)點(diǎn)體系，并且要考慮結(jié)構(gòu)的傾復(fù)、扭轉(zhuǎn)等因素。
