滾動隔震支座的研究與發(fā)展★

王珊珊 隋杰英 章 蓉 孫曉東

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033)

0 引言

從古至今，地震的發(fā)生均具有隨機性、不確定性以及突發(fā)性等特點，人類的生命安全、財產(chǎn)安全受到其嚴(yán)重的威脅，因此結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域一直將抗震研究作為重要課題。

近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加快了城市化的進(jìn)程，各種高聳建筑、大跨橋梁、大跨空間建筑等大規(guī)模涌現(xiàn)，因此由地震災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失將是無法估量的。“小震不壞，中震可修，大震不倒”是目前許多國家建筑抗震設(shè)計的基本準(zhǔn)則，這種傳統(tǒng)的抗震設(shè)計目的在于保證建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強度和延性，以達(dá)到減輕震害和降低經(jīng)濟(jì)損失的目的。但傳統(tǒng)的抗震方法本身存在著不可避免的缺陷，這種以生命安全為目標(biāo)的單一抗震設(shè)防目標(biāo)是不全面的、滿足不了人們的要求。20世紀(jì)70年代初，工程抗震學(xué)科中出現(xiàn)了對地震由“抗”變“導(dǎo)”的結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)，這是一種積極主動的減隔震方法，且隔震體系能有效地減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)的輸入(見圖1)。因此，以基礎(chǔ)隔震方式取代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方式，來增強建筑抵御地震災(zāi)害的能力已成為結(jié)構(gòu)工程防震減災(zāi)領(lǐng)域的研究熱點。

1 基礎(chǔ)隔震

1.1 基本思想［1］

基礎(chǔ)隔震即隔離地震波對結(jié)構(gòu)的作用，其隔震設(shè)計的基本思想是:在整個結(jié)構(gòu)物與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，或者是將其坐落在起隔震作用的地基或基礎(chǔ)上，利用隔震層裝置的有效工作，減少和限制地震波向上部結(jié)構(gòu)的輸入，控制上部結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)和隔震部位的變形，以減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。

圖1 傳統(tǒng)抗震與基礎(chǔ)隔震對比

1.2 隔震原理

通常情況下地震動的典型卓越周期約為0.1 s～1.0 s，因此在地震時極易發(fā)生共振的就是自振周期為0.1 s～1.0 s的中低層結(jié)構(gòu)。隔震裝置的作用就是通過減小結(jié)構(gòu)剛度使得結(jié)構(gòu)自振周期大大延長，以避開地震動卓越周期，避免了共振和接近共振現(xiàn)象的發(fā)生，且使震動引起的建筑物變形集中到隔震裝置上，隔斷大部分地震能量的上傳。這在很大程度上減少了地震時上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)和層間位移反應(yīng)(見圖2，圖3)，從而較大的減少了上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到隔震減震的目的。

圖2 加速度反應(yīng)譜

圖3 位移反應(yīng)譜

1.3 基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的特性及優(yōu)越性

為了達(dá)到明顯減震效果，通常基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)需要具備以下四種特性:

1)承載特性:具有足夠的豎向強度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量;

2)隔震特性:具有足夠的水平初始剛度，在風(fēng)載和小震作用下，體系能保持在彈性范圍內(nèi)，滿足正常使用的要求，而中強地震時，其水平剛度較小，結(jié)構(gòu)為柔性隔震結(jié)構(gòu)體系;

3)復(fù)位特性:因其隔震裝置的水平彈性恢復(fù)力，在地震中隔震結(jié)構(gòu)體系具有瞬時“復(fù)位”功能;

4)阻尼耗能特性:隔震裝置本身具有較大的阻尼，地震時能耗散足夠的能量，從而降低上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。

與傳統(tǒng)抗震建筑物相比，其優(yōu)越性體現(xiàn)在:可有效的減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的安全性;上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計自由度增大;可防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破損，震后修復(fù)方便快捷;可防止內(nèi)部物品的振動、移動、翻倒;可抑制振動時的不適感，提高了居住性和安定感。

2 隔震建筑的減震效果舉例

隔震建筑的減震效果在20世紀(jì)90年代的幾次實際地震中得以證實，消除了人們對隔震技術(shù)的疑慮。以下是一些實際建筑的強震記錄:

1)1992年2月2日，日本東京灣地震，震級5.9級，在日本東京都小金井市兩棟同規(guī)模住宅樓毗鄰而建，地上3層，鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。一個用疊層橡膠支座隔震，另一個是傳統(tǒng)的抗震建筑。地震時記錄到兩棟建筑物第3層Y方向的最大加速度，隔震建筑為44 gal，而抗震建筑為209 gal，隔震建筑的屋面最大加速度僅為抗震建筑的1/5左右［2］。

2)1994年1月17日，美國洛杉磯北嶺地震，震級6.7級，震中附近有兩座醫(yī)院，其中南加州大學(xué)醫(yī)院采用疊層橡膠支座基礎(chǔ)隔震，橄欖景醫(yī)院為傳統(tǒng)抗震建筑。地震時南加州大學(xué)醫(yī)院屋面最大加速度僅為橄欖景醫(yī)院屋面最大加速度的1/10左右［2］。

3)1995年1月17日，日本阪神地震，震級7.2級，距震源東北35 km有兩棟建筑，其中松村組技術(shù)研究所研究大樓為3層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用高阻尼疊層橡膠支座，毗鄰的管理大樓為3層的鋼結(jié)構(gòu)抗震建筑，地震時，隔震建筑的屋面水平向最大加速度僅為抗震建筑的1/5～2/5，但豎向加速度并未減小，因為疊層橡膠支座不能減小豎向的振動［2］。

4)我國汕頭市有兩棟毗鄰而建的規(guī)模相同的8層框架住宅樓，其中一棟為傳統(tǒng)抗震建筑，另一棟采用疊層橡膠支座隔震，當(dāng)1994年9月16日我國臺灣海峽發(fā)生7.3級地震時，隔震建筑基本無震感，而采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)的住宅樓出現(xiàn)劇烈搖晃［3］。

從這些記錄中可以看出，隔震裝置具有明顯的減震效果，并且有足夠的耐久性，可使上部結(jié)構(gòu)的加速度減小到不隔震時的1/5～1/3，使人身及財產(chǎn)安全可以得到有效的保護(hù)。

3 滾動基礎(chǔ)隔震的研究

滾動隔震即在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間鋪設(shè)具有良好滑動性能的滾球或滾軸，使基礎(chǔ)與建筑物之間產(chǎn)生相對滑動，并利用摩擦阻尼來消耗地震能。目前現(xiàn)有的滾動隔震裝置包括:滾球加復(fù)位消能裝置、雙向滾軸加復(fù)位消能裝置、滾球帶凹形復(fù)位板、碟形和圓錐形支座等幾種形式。

滾動隔震支座在國內(nèi)研究發(fā)展?fàn)顩r:

1)王榮輝提出了一種滾珠—限位橋墩基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了模型試驗，之后通過數(shù)值方法對這種隔震系統(tǒng)限位裝置的剛度與隔震效果進(jìn)行了比較計算，研究結(jié)果表明:該隔震系統(tǒng)能對水平地震力起到有效的隔離作用。此后他又提出一種由鋼球、豎向彈簧和插銷組成的新型豎向彈簧—鋼球隔震系統(tǒng)(見圖4)。通過“對號入座”法則和勢能不變值原理建立了該隔震系統(tǒng)的振動方程，分析了該隔震系統(tǒng)地震反應(yīng)與不同參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，該隔震系統(tǒng)構(gòu)造簡單，易于制作，隔離水平地震的作用效果十分顯著［5］。

圖4 豎向彈簧—鋼球隔震系統(tǒng)

2)基于對摩擦擺隔震和自由滾軸隔震的研究，豐定國提出了一種帶有凹形復(fù)位板的隔震裝置，其剛體計算模型如圖5所示，這種球形隔震裝置特點是具有復(fù)位功能，能使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)較大減小。由數(shù)值分析得知在某些地震波的作用下，結(jié)構(gòu)將會發(fā)生共振。但與共振頻率有關(guān)的僅僅是基底裝置的振動頻率，與結(jié)構(gòu)的動力特性幾乎不相關(guān)。可通過調(diào)整隔離裝置的參數(shù)，使其自振頻率遠(yuǎn)離地震波的主頻率，提高基底隔震結(jié)構(gòu)的抗震能力。此外，滾動摩擦系數(shù)，剛性球的半徑及基礎(chǔ)板的質(zhì)量對基底隔離結(jié)構(gòu)的響應(yīng)均有很大影響，而球形凹槽的半徑對其影響很小［6］。

圖5 帶凹形復(fù)位板的隔震裝置

3)史紅福把帶凹形復(fù)位板隔震裝置與滾球加彈簧復(fù)位的優(yōu)點進(jìn)行綜合，由此提出了一種新型基礎(chǔ)隔震模型——滾球帶凹形復(fù)位板加彈簧隔震裝置模型。通過sumlink仿真技術(shù)和Matlab編程分析發(fā)現(xiàn)，良好的減震效果是此隔震裝置特點之一，更重要的是它能更有效地限制底板位移，因其能適合各類地震的情況，同時具有兩種滾動裝置的作用，能夠確保滾球始終在凹形復(fù)位板內(nèi)連續(xù)滾動，所以其綜合性能優(yōu)勝于前兩種隔震裝置［7］。

4 研究發(fā)展新突破

盡管國內(nèi)外學(xué)者對隔震理論的研究開展了大量的工作，各種實用隔震器已經(jīng)應(yīng)用于實際工程，但疊層橡膠隔震和滑移摩擦隔震都未能很好的解決上拔力的問題。

日本在2002年開發(fā)了一種直線式滑動隔震支座，并將其應(yīng)用在了日本大阪的辦公樓。該支座的特點是豎向抗壓和抗拔能力很大，最大可承受壓力45 000 kN，最大上拔力達(dá)到18 000 kN。這種直線式滑動隔震裝置被業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為是從低層獨戶房屋到超高層建筑中都可使用的隔震裝置，必將成為下一代的多用途基礎(chǔ)隔震裝置［8］。

吳冬梅在2007年結(jié)合使用形狀記憶合金SMA，設(shè)計了一種類似于直線式滑動支座的滾動支座——SMA—滾動隔震支座(見圖6)，并將其應(yīng)用于火炬塔的基礎(chǔ)部位，建立支座恢復(fù)力模型，進(jìn)行該體系在EI-Centro地震波作用下發(fā)生的時程反應(yīng)研究，并進(jìn)行了與非隔震火炬塔結(jié)構(gòu)體系的對比分析。最終結(jié)果表明，SMA—滾動隔震支座隔震體系的質(zhì)量層最大絕對加速度可減少86.6%，上拔力減少了72.9%，軸力最大可減少87.2%［9］。

圖6 SMA—滾動隔震支座模型圖

蔡錦榮、劉樹棠介紹在輸電塔基礎(chǔ)處設(shè)置SMA彈簧—軸承滾動支座的地震響應(yīng)分析(見圖7)，對滾動支座采用SMA彈簧作為復(fù)位和耗能元件，獲得了較好的隔震效果，時程分析結(jié)果表明輸電塔的構(gòu)件內(nèi)力、上拔下壓力及層間位移顯著降低，結(jié)構(gòu)變形接近于整體平動［10］。由以上可以看出，將形狀記憶合金(SMA)引入到滾動隔震支座中，使?jié)L動隔震裝置既有復(fù)位功能又有耗能作用，將是滾動隔震研究發(fā)展的新方向。

圖7 SMA彈簧—軸承隔震支座剖面圖

目前結(jié)構(gòu)隔震領(lǐng)域研究中，水平隔震技術(shù)已日趨成熟，豎向隔震技術(shù)研究較少，然而在近十年來的數(shù)次地震中，豎向地震作用顯著，豎向抗震理論的研究備受關(guān)注。滾動隔震裝置的一個缺陷是不能隔離豎向地震作用，但增加結(jié)構(gòu)的豎向隔震能力也是良好隔震裝置的要求。

2004年，熊世樹等創(chuàng)新地提出一種鉛芯橡膠碟簧三向隔震支座(3DB)，該隔震支座可以有效地解決三向隔震問題［11］。3DB隔震裝置的下部是鉛芯疊層橡膠支座(LRB)，上部是加有阻尼材料的碟形彈簧支座(DSB)，3DB隔震層由LRB與DSB串聯(lián)而成，DSB中設(shè)置有導(dǎo)向筒，使其在荷載作用下幾乎只產(chǎn)生豎向位移。通過試驗得出的滯回曲線來看，3DB的水平和豎向阻尼性能較好，阻尼比容易達(dá)到20%，3DB隔震裝置有效地解決了三向隔震支座的豎向阻尼難題，并可以有效抑制搖擺，隔震后的地震反應(yīng)比不隔震結(jié)構(gòu)降低了50%，柱子的地震軸力降低了75%以上。2010年，顏學(xué)淵等人應(yīng)用一種蝶形彈簧三維隔震抗傾覆支座(3D-BIORDDS)對一高層鋼框架模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔離三向地震動激勵的振動臺試驗［12］。試驗結(jié)果表明:不管是短周期地震動還是長周期地震動裝置都能夠較好地減小結(jié)構(gòu)的三向地震響應(yīng);但是結(jié)構(gòu)的傾角反應(yīng)較大，表明支座的豎向剛度應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更加合理的設(shè)計，以滿足可使用性要求。可見將蝶形彈簧與滾動支座相結(jié)合解決裝置的豎向抗震問題是一個很好的思路。

5 結(jié)語

在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)中，疊層橡膠支座經(jīng)過30多年的發(fā)展，理論研究已趨于成熟，而滾動隔震剛剛起步，將是今后隔震支座研究的一個重點。將SMA與滾動支座相結(jié)合提高結(jié)構(gòu)抗震效果及自復(fù)位能力，再結(jié)合蝶形彈簧考慮豎向隔震問題，將是今后研究的熱點方向。

［1］李愛群.工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］日本免震構(gòu)造協(xié)會.工程隔震概論［M］.葉列平，譯.北京:地震出版社，1996.

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［5］王榮輝，許 群，舒文超，等.豎向彈簧—滾珠隔震系統(tǒng)的隔離水平地震作用［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報，2003，31(6):11-12.

［6］姚謙峰，豐定國，王清敏.滾動隔震結(jié)構(gòu)受力分析［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，1999，31(3):61-62.

［7］史紅福.滾動基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動力特性研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

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［9］吳冬梅，劉樹棠，劉智勇.SMA—滾動隔震火炬塔的地震反應(yīng)分析［J］.廣州大學(xué)學(xué)報，2007，6(1):82-86.

［10］蔡錦榮，劉樹棠.SMA彈簧—軸承滾動隔震輸電塔的地震反應(yīng)分析［J］.廣東土木與建筑，2009(5):14-17.

［11］熊世樹.三維基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的理論與試驗研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

［12］顏學(xué)淵，張永山，王煥定，等.三維隔震抗傾覆結(jié)構(gòu)振動臺試驗［J］.工程力學(xué)，2010，27(5):91-96.