基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)限位問題研究現(xiàn)狀

張 超,張 慧

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

關(guān)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的限位問題,國內(nèi)、外已有一定的理論研究,總體上分為限位器自身的理論研究和帶有限位器的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的理論研究。

1 限位器自身的理論研究

限位器在本質(zhì)上是耗能減震器或者阻尼器。耗能減震器按照耗能材料分類,分為金屬耗能器(如軟鋼耗能器、低屈服點(diǎn)鋼耗能器、鉛阻尼器)、粘彈性耗能器(如粘彈性橡膠剪切阻尼器)、粘滯阻尼器(如油阻尼器)、智能材料阻尼器(如電流變阻尼器、磁流變阻尼器、記憶合金阻尼器)。當(dāng)然國內(nèi)外學(xué)者還對(duì)其他限位器也做了深入的研究,比如粘滯阻尼器、形狀記憶合金(SMA)等。限位器自身的理論研究主要是限位器的力學(xué)性能的研究。姚謙峰等指出軟鋼U型帶片作為基礎(chǔ)隔震體系的一種限位、消能裝置,具有取材容易、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)66個(gè)不同參數(shù)軟鋼U型帶片試件在低周反復(fù)荷載作用下的強(qiáng)度、剛度及耗能性能進(jìn)行了分析[1]。李樹信、姚謙峰等通過對(duì)六組不同參數(shù)實(shí)體圓錐棒的試驗(yàn)研究,對(duì)其破壞特點(diǎn)、強(qiáng)度、剛度、變形以及耗能性能進(jìn)行了對(duì)比分析；提出了強(qiáng)度、剛度的實(shí)用計(jì)算方法以及圓錐棒的合理斜錐度[2]。Aguirre等對(duì)U型單元阻尼器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),包括力-位移響應(yīng)、疲勞壽命以及循環(huán)加載中試件溫度的升高等內(nèi)容[3]。

2 帶有限位器的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的理論研究

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

冶金部建筑研究總院和西安建筑科技大學(xué)等單位近年來對(duì)基礎(chǔ)滑移隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了較系統(tǒng)和全面的研究,其中包括對(duì)限位裝置方面的研究,先后在蘭州、銀川、太原、唐山、西安等八大城市建造了滑移隔震結(jié)構(gòu)試點(diǎn)工程。熊仲明,俞茂宏等通過對(duì)隔震房屋有限位裝置的恢復(fù)力特性的研究,提出了多層磚房隔震結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力計(jì)算模型,編制了隔震結(jié)構(gòu)的分析程序,提出了基礎(chǔ)滑移隔震房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)造措施和減震效果試推檢驗(yàn)方法[4]。熊仲明,霍曉鵬等對(duì)基礎(chǔ)滑移隔震結(jié)構(gòu)做了較為深入的研究,提出了用軟鋼U型帶片作為限位消能元件,并在基礎(chǔ)與限位消能裝置之間預(yù)留一定的自滑區(qū)長度,組合成為一種新型的滑移隔震系統(tǒng),對(duì)其隔震性能進(jìn)行了分析研究[5]；熊仲明,王清敏等以多層磚混隔震結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)為依據(jù),通過隔震房屋對(duì)有彈性限位裝置的恢復(fù)力特性的研究,找出了限位消能元件U型環(huán)個(gè)數(shù)與其剛度關(guān)系,提出了多層磚房隔震結(jié)構(gòu)恢復(fù)力計(jì)算模型,為隔震房屋的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了依據(jù)[6]。韓淼,周錫元指出疊層鋼板橡膠支座基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隔震層位移過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致橡膠支座失穩(wěn),提出了在隔震層增設(shè)緩沖限位保護(hù)裝置作為第二道防線的設(shè)計(jì)方案[7]。樊劍等提出了一種新型基礎(chǔ)隔震模型,即帶限位裝置的摩擦隔震系統(tǒng),限位裝置包括由彈簧和阻尼組成的限位器和剛性限位壁[8]。韓淼等對(duì)基礎(chǔ)隔震模型進(jìn)行了軟碰撞限位振動(dòng)臺(tái)模擬地震動(dòng)試驗(yàn),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了預(yù)留距離與軟碰撞限位器剛度對(duì)結(jié)構(gòu)層與隔震層位移反應(yīng)的影響規(guī)律,根據(jù)結(jié)構(gòu)層與隔震層位移反應(yīng)均控制在允許范圍內(nèi)的條件,優(yōu)選出適用于本隔震試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷能浥鲎蚕尬黄髟囼?yàn)工況[9-10]。趙歆冬等利用形狀記憶合金(SMA)材料的相變偽彈性性能,研制了一種SMA自復(fù)位隔震阻尼器,并將其與疊層橡膠墊聯(lián)合應(yīng)用,提出了一種新的自復(fù)位隔震裝置[11]。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

R.I.Skinner等指出凡在經(jīng)濟(jì)上可行的場合,都應(yīng)該使用彈性緩沖器。新西蘭的部分隔震建筑中已經(jīng)使用了限位器和彈性緩沖器。惠靈頓的威廉克雷頓大樓安裝了行程為±0.15m的限位器,該地的警察局大樓安裝了行程為0.35m的彈性緩沖器[12]。Kelly將聚四氟乙烯摩擦滑移隔震支座與限位復(fù)位裝置結(jié)合使用,取得了良好的效果。此外Kelly還提出把橡膠隔震支座和摩擦滑移支座結(jié)合使用,因?yàn)橄鹉z支座具有很好的震后恢復(fù)能力,摩擦滑移支座具有很好的耗能能力[13]。L.Guerreiro等指出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)與附屬物之間要有一定的間距,以便允許結(jié)構(gòu)的大變形。并對(duì)在發(fā)生碰撞時(shí)擋塊限制基礎(chǔ)大位移的作用,以及減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的作用進(jìn)行了分析。分析的擋塊包括純彈性擋塊、粘性擋塊、粘彈性擋塊[14]。美國加州大學(xué)地震工程研究中心的W.C.Peter等人研制出一種用于土木結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的SMA被動(dòng)阻尼裝置,主要安裝于結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間,耗散和隔離橫向的地震響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)地震位移、加速度反應(yīng)比原結(jié)構(gòu)分別減少l/3和l/2,阻尼減震的效果是非常顯著的[15,16]。

3 結(jié)語

基礎(chǔ)隔震體系徹底改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的不足,采用“以柔克剛”的設(shè)計(jì)理念,通過設(shè)置滑移隔震層來隔離和減少地震能量的輸入,使得上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯減少。其中限位裝置(耗能減震器或者阻尼器)是隔震層重要的組成部分,那么對(duì)于限位裝置的限位機(jī)理研究顯得尤為重要。

[1]姚謙峰.軟鋼U型帶片的限位、消能性能分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),1997,29(1):22-26.

[2]李樹信,姚謙峰,等.軟鋼實(shí)體圓錐棒的限位、消能性能研究[J].西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào),1992,24(3):243-248．

[3]Aguirre,M.and snchez,A.R,Structural Seismic Damper[J].J.of Structural Engineering,ASCE,1992,118(5):1158-1171．

[4]熊仲明,俞茂宏,王清敏,等.基礎(chǔ)滑移隔震房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用的理論研究[J].振動(dòng)與沖擊,2000,22(3):50-54．

[5]熊仲明,霍曉鵬,等.一種新型基礎(chǔ)滑移隔震框架結(jié)構(gòu)體系的理論分析與研究[J].振動(dòng)與沖擊,2008,27(10):124-129．

[6]熊仲明,王清敏,豐定國,等.基礎(chǔ)滑移隔震房屋計(jì)算恢復(fù)力曲線的確定[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),1999,31(2):145-148．

[7]韓淼,周錫元.基礎(chǔ)隔震建筑軟碰撞保護(hù)分析[J].建筑科學(xué),1999,15(1):14-20．

[8]樊劍,唐家祥.帶限位裝置的摩擦隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2000(3):24-27．

[9]韓淼,杜紅凱,等.基礎(chǔ)隔震層軟碰撞限位試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2008(27):124-128．

[10]李仙華.隔震建筑隔震層大變形軟碰撞限位試驗(yàn)研究[D].北京:北京建筑工程學(xué)院,2006．

[11]趙歆冬,王社良,等.設(shè)有形狀記憶合金自復(fù)位阻尼器隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(4):388-390．

[12]R.I.Skinner,W.H.Robinson著,謝禮立,周雍年,趙興權(quán)譯.工程隔震概論[M].北京:地震出版社,1996．

[13]J,M.Kelly,Aseismic Base Isolation∶Review and Bibliography[J]. Soil Dynamic and Earthquake Enginerring, 1986, 5(4):202-216．

[14]L.Guerrein and J.Azcvedo. Impact Problems on Base-isolated Structures[C]. Mexico∶Proceeding of the World Conference on Earthquake Engineering, 1996．

[15]Peter WCetal. Experimental and Analytical Studies Shape Memory Alloy Damper for Structural Control[C]. Proc. of SPIE, SmartStruct. Mater, 1995, 2445∶241-251．

[16]王麗.建筑結(jié)構(gòu)隔震減震措施分析[J].江西建材,2014(4):44-47．