層間隔震結(jié)構(gòu)技術(shù)原理及應(yīng)用

趙熹　孫小童　余楠

摘 要：層間隔震是基礎(chǔ)隔震的延伸，它的出現(xiàn)擴(kuò)大了隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍，雖然只是將隔震層從基礎(chǔ)上移，但是隔震機(jī)理已發(fā)生變化。本文介紹了層間隔震體系的類型和應(yīng)用范圍，探討了對層間隔震進(jìn)行參數(shù)分析時應(yīng)采用的力學(xué)模型，并對影響層間隔震建筑減震效果的因素進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：隔震；層間隔震；阻尼比；頻率比

1引言

隔震技術(shù)之所以能減少地震力的作用，是因?yàn)楦粽饘友娱L了整個結(jié)構(gòu)的自振周期，使之遠(yuǎn)離地震動的卓越周期，隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，理論計(jì)算方法及施工工藝都趨于成熟，且在工程中已得到大量應(yīng)用及驗(yàn)證，是建筑抗震一種行之有效的新手段。但隔震技術(shù)不是萬能的，隔震結(jié)構(gòu)在應(yīng)用上仍然有一定局限性，例如高寬比較大或處于軟弱地基上的建筑，采用基礎(chǔ)隔震易造成整棟建筑傾覆或減震效果不明顯。層間隔震技術(shù)是在基礎(chǔ)隔震上發(fā)展起來的一種新的隔震體系，和基礎(chǔ)隔震不同，它將隔震層設(shè)置在建筑的柱子和樓板之間，進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制，雖然只是將隔震層從基礎(chǔ)上移，但是隔震機(jī)理已發(fā)生變化。

2層間隔震體系的類型和應(yīng)用

根據(jù)隔震層位置不的不同，層間隔震有多種形式。如圖1，一種是將隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)一層，減震機(jī)理類似于基礎(chǔ)隔震，不同之處在于可視外界條件來確定是否設(shè)置隔震縫；一種是將隔震層設(shè)置在中間層，稱為中間層隔震；還有一種類似于TMD系統(tǒng)，不同之處是將TMD中的阻尼器用橡膠隔震墊來代替，用頂層樓板或隔熱層作為TMD的質(zhì)量塊，這種隔震體系稱為屋頂隔震，以上幾種使用的制震裝置都是橡膠隔震墊，只是位置不同，故統(tǒng)稱為層間隔震結(jié)構(gòu)。

層間隔震結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于舊房改造中，由此發(fā)展，如今在多項(xiàng)工程領(lǐng)域中都有應(yīng)用，它可以克服基礎(chǔ)隔震的某些缺陷，如近海建筑若采用基礎(chǔ)隔震，海水漲落潮會對橡膠隔震支座造成侵蝕；層間隔震施工時無需像基礎(chǔ)隔震一樣設(shè)置水平隔震縫，減少施工難度、節(jié)約工期；在地形復(fù)雜的坡地或大底盤塔樓結(jié)構(gòu)這些難以使用基礎(chǔ)隔震的情況下仍可采用層間隔震來達(dá)到減震目的；某些放置有精密儀器或古董的樓層可以采用層間隔震保證地震時設(shè)備不被破壞，由此可見，層間隔震是隔震技術(shù)的延伸，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?014年，張尚榮、譚平等對某框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析提出了一種基于性能的層間隔震結(jié)構(gòu)抗震性能易損性的分析方法。2004年，日本Ming H.U，Hongjun S.I等對移動9層房屋進(jìn)行了隔震加固，加固后該房屋結(jié)構(gòu)的基本周期由0.4s變?yōu)?.7s，上部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為整體平動，下部結(jié)構(gòu)剪力、位移也顯著降低。日本Sueoka等對Sumitomo大樓進(jìn)行了層間隔震設(shè)計(jì)，該大樓是當(dāng)今世界上最高的層間隔震建筑，其由下部11層和上部14層組成，分析結(jié)果表明，采取層間隔震后，該結(jié)構(gòu)主要受第2和第3震型影響，隔震支座的性能與上、下部結(jié)構(gòu)的剛度共同影響建筑物的振型。

3層間隔震體系的力學(xué)模型

目前，在層間隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究中，采用的計(jì)算模型主要有一下三種：

（1）兩質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)，對于圖1中的屋頂層隔震來說，隔震層上部所承受的質(zhì)量較小，所以假定為一個單一質(zhì)點(diǎn)是合理的，對于圖1中的底層隔震或中間層隔震來講，由于隔震層的水平剛度相對于上部結(jié)構(gòu)的層間剛度要小很多，遭遇地震時，上部結(jié)構(gòu)接近整體平動狀態(tài)，所以這一假設(shè)也是合理的。

（2）三質(zhì)點(diǎn)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)分別簡化為一個質(zhì)點(diǎn)即為三質(zhì)點(diǎn)計(jì)模型，與雙質(zhì)點(diǎn)模型相比，三質(zhì)點(diǎn)模型將隔震層單獨(dú)作為一個質(zhì)點(diǎn)考慮，這對于分析隔震層的動力特性是有幫助的。

（3）多質(zhì)點(diǎn)模型 將結(jié)構(gòu)每一層當(dāng)做一個質(zhì)點(diǎn)，即為多質(zhì)點(diǎn)模型，這種模型能比較為準(zhǔn)確地反應(yīng)層結(jié)構(gòu)各層的動力反應(yīng)，但計(jì)算耗時較多，適用于對某個具體工程的設(shè)計(jì)和時程分析。

對于雙質(zhì)點(diǎn)模型，如圖2，地震時，結(jié)構(gòu)水平變形絕大部分集中在隔震層上，這種模型形式簡單，計(jì)算快捷，且突出了層間隔震結(jié)構(gòu)的主要影響參數(shù)，較適合對層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，故本文以雙質(zhì)點(diǎn)模型為例，在線彈性情況下，給出振動方程：

4結(jié)語

層間隔震的主要目的是盡量減少地震時輸入上部結(jié)構(gòu)的能量，減小結(jié)構(gòu)的絕對加速度來削弱地震時的震感，同時還要保證下部結(jié)構(gòu)的層間位移不能太大，防止房屋破壞，因而需要對影響隔震效果的參數(shù)（頻率比、質(zhì)量比、阻尼比等）進(jìn)行分析，使制震效果盡可能達(dá)到最優(yōu)。層間隔震結(jié)構(gòu)的減震效果一般與隔震層的阻尼比有關(guān)，阻尼越大，減震效果越好，且合理的結(jié)構(gòu)頻率比能使層間隔震結(jié)構(gòu)上層加速度均方值和下層位移均方值都較小，從而取得良好的隔震效果。

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