新型抗拉裝置在大高寬比隔震結構設計中的應用

文／唐曄明 菏澤市規劃建筑設計研究院有限公司 山東菏澤 274000

引言：

提高建筑工程的抗震能力具有重要意義，不僅可以減小地震對建筑工程的影響，也可以減少地震中的人員傷亡。而隔震技術是十分高效的減震措施，可有效提升建筑工程的抗震性能，在建筑工程中的應用十分廣泛。但在高烈度區高層隔震結構設計中應用傳統的隔震裝置會出現支座拉應力超限等問題，為此需要將隔震支座與新型滑軌式抗拉裝置結合起來，優化大高寬比隔震結構設計效果。

1、新型抗拉裝置與隔震技術概述

1.1 新型抗拉裝置

新型滑軌式抗拉裝置主要是由上和下法蘭板、抗拉構件以及導軌共同構成的（如圖1所示），其中抗拉構件包括滑槽、限位器、T型倒扣以及下部連接件等部分，T型倒扣與限位器之間是相連的，滑槽與T型倒扣也是相連的[1]。在正常情況下，滑軌式抗拉裝置可以自由向下移動，從而協調隔震支座出現的壓縮變形情況。若滑軌式抗拉裝置向上提拉且回歸到初始位置時，限位器就會限制其位移，從而達到抗拉這一目的。同時，滑軌式抗拉裝置的上導軌與下導軌是相互垂直的，且抗拉構件會沿著兩個導軌滑動，不會對隔震結構的豎向減震性能以及水平減震性能產生影響。如果隔震層出現拉力，抗拉裝置就會承擔一部分拉力。

圖1 新型滑軌式抗拉裝置

1.2 隔震技術

地震是無法避免的自然災害，而地震中產生的人員傷亡與經濟損失主要是由建筑物倒塌造成的。為此，各個國家都十分注重建筑工程的抗震性能設計。隔震技術是常用的減震措施，有利于提升建筑工程的抗震性能。基礎隔震技術指的是利用柔性連接的方式在建筑上部結構與地基之間設置隔震系統。近年來常用的隔震裝置是隔震橡膠支座與彈性滑板支座，其中隔震橡膠支座主要是由鋼板以及橡膠等材料制成的，在隔震結構設計中發揮著重要作用。但從實際情況來看，在高烈度區大高寬比隔震結構設計中應用隔震橡膠支座與彈性滑板支座會出現支座拉應力超限、滑板支座提離等問題[2]。為此，相關學者對抗拉裝置進行了深入研究，提出了鎖扣式抗拉裝置、口型鋼框架抗拉裝置等想法。但這兩種抗拉裝置都存在一些不足，例如應用鎖扣式抗拉裝置時需要應用支座，而口型鋼框架抗拉裝置的初始間隙不符合要求。相比于這兩種抗拉裝置，新型滑軌式抗拉裝置較為符合要求，因此需要深入研究該裝置在大高寬比隔震結構設計中的應用。

2、新型抗拉裝置的力學性能試驗

2.1 力學性能試驗裝置

在大高寬比隔震結構設計中應用新型抗拉裝置之前需要對抗拉裝置進行力學性能試驗檢測。即設計人員需要對3組承載力為200t且水平行程為±385mm的滑軌式抗拉裝置進行力學性能試驗檢測，并根據試驗檢測結果分析該裝置是否符合隔震結構的設計要求。在試驗過程中，設計人員需要利用 1000t壓力試驗機試驗系統中的壓力傳感器測量抗拉裝置的加載力并利用位移計測量抗拉裝置的拉伸變形量。

2.2 力學性能試驗檢測結果

在完成力學性能試驗檢測后需要綜合分析檢測結果。在試驗過程中，水平位移的設計值為≧±385mm、設計拉伸荷載的設計值為2000kN、設計拉伸位移的設計值為≤8mm、極限拉伸荷載的設計值為≧2400kN、極限拉伸位移的設計值為≤10mm。從試驗結果來看，第一組抗拉裝置的水平位移為±450mm、設計拉伸荷載為2001.3kN、設計拉伸位移為2.97mm、極限拉伸荷載為2402.6kN、極限拉伸荷載為4.11mm；第二組抗拉裝置的水平位移為±450mm、設計拉伸荷載為2001.1kN、設計拉伸位移為3.10mm、極限拉伸荷載為2401.5kN、極限拉伸荷載為4.12mm；第三組抗拉裝置的水平位移為±450mm、設計拉伸荷載為2001.5kN、設計拉伸位移為3.12mm、極限拉伸荷載為2403.1kN、極限拉伸荷載為4.25mm。所以每組抗拉裝置的檢測結果與設計值之間的偏差都在15%以內，且檢測結果的偏差平均值在10%以內，這就說明這3組抗拉裝置的力學性能都符合設計要求。其次，從抗拉裝置的荷載-位移曲線以及30周疲勞曲線來看，在極限拉伸荷載作用的影響下抗拉裝置不會出現十分明顯的剛度退化情況，且構件仍然處于彈性狀態中。但當拉伸荷載達到2800kN時抗拉裝置會出現斷裂的情況。

3、新型抗拉裝置的簡化模型與軟件模擬情況

3.1 簡化模型

設計人員需要根據滑軌式抗拉裝置的力學性能試驗檢測結果設置抗拉裝置的簡化模型。從實際情況來看，在極限拉伸荷載的作用下抗拉裝置不會出現屈服情況，所以設計人員可以對設計拉伸荷載作用下的抗拉裝置進行彈性假定[3]。若設計人員利用K表示抗拉裝置的彈性剛度，用F表示設計拉伸荷載并用Q表示抗拉裝置的拉伸應變，公式（1）如下：

設計人員需要利用試驗檢測結果以及上述公式（1）計算抗拉裝置的彈性線剛度。從計算結果來看，200t的抗拉裝置彈性線剛度為666.67kN/mm。

3.2 軟件模擬情況

設計人員需要利用軟件模擬滑軌式抗拉裝置并構建其力-位移模型（如圖2所示）。從實際情況來看，該模型在模擬拉伸荷載作用下力-位移特性時會忽略抗拉裝置自身的滯回耗能，且如果實際拉伸荷載大于設計值時需要將單元剛度定義為0[4]。需要將該單元在受壓變形情況下的剛度設置為0從而模擬抗拉裝置在結構重力作用下的初始縫隙。

圖2 新型抗拉裝置的力-位移模型

4、新型抗拉裝置在隔震結構設計中的具體應用

4.1 隔震結構設計項目概況

在隔震結構設計中應用新型抗拉裝置前需要全面分析隔震結構設計項目的情況。某高層隔震項目的抗震設防烈度為8度，一共有20層，其中地下1層、地上19層。同時，該項目應用了框架剪力墻結構，結構高度為63.2m、寬度為15.2m、高寬比為4.158，是典型的大高寬比隔震結構。

4.2 隔震支座的設置方案

在設計過程中，設計人員需要根據實際情況優化隔震支座的設置方案。（1）該高層隔震項目一共包括3個部分，其中一部分應用隔震技術與隔震溝。所以設計人員需要將隔震層設置在結構±0m并確保樓梯間與電梯井穿越隔震層至地下1層-9.95m處[5]。（2）樓梯間以及電梯井的荷載相對較大，無法應用吊掛這種方式，所以設計人員需要在樓梯間與電梯井下方設置隔震支座。且為了充分發揮不同標高處隔震支座的變形協調作用，設計人員應科學選擇隔震支座。一般情況下，可以在電梯井底部設置水平剛度相對較小的彈性滑板支座以及天然橡膠支座。所以設計人員需要選擇4個LRB900支座、8個LRB1100支座、15個LNR900支座、7個LNR1000支座、2個LNR1100支座以及2個ESB700支座。同時，設計人員應確保所選隔震支座的力學性能符合要求。例如，需要確保LRB900這種隔震支座的豎向剛度為3400kN/mm、等效水平剛度為2.17kN/mm、屈服前剛度為17.06kN/mm；LRB1100支座的豎向剛度為4400kN/mm、等效水平剛度為2.45kN/mm、屈服前剛度為18.51kN/mm；LNR900支座的豎向剛度為3200kN/mm、等效水平剛度為1.31kN/mm；LNR1000支座的豎向剛度為3800kN/mm、等效水平剛度為1.45kN/mm；LNR1100支座的豎向剛度為4100kN/mm、等效水平剛度為1.46kN/mm；ESB700支座的豎向剛度為11000kN/mm。（3）設計人員需要優化隔震支座的布置方式。例如，設計人員需要利用四周布置的方式設置隔震支座并在中間設置天然橡膠支座，從而使隔震支座的面壓在15MPa以內且隔震層的偏心率在3%以內。

4.3 結構動力時程分析

設計人員需要利用有限元分析軟件以及FNA法對隔震結構以及非隔震結構進行動力時程分析。在這一過程中需要利用Rubber isolator單元以及Gap單元對疊層橡膠支座進行并聯模擬，利用Feiction isolator單元對彈性滑板支座進行模擬，從而準確反映隔震支座的拉壓剛度異性特征。從前三階周期的分析結果來看，非隔震結構的振型為1、2、3，周期為1.816s、1.741s、1.411s，X向累計質量參與系數為60%、62%、67%，Y向累計質量參與系數為1%、65%、65%。而隔震結構的振型為1、2、3，周期為3.679s、3.651s、3.000s，X向累計質量參與系數為88%、97%、98%，Y向累計質量參與系數為9%、98%、98%[6]。所以隔震結構的振型周期比非隔震結構延長1倍，且累計質量參與系數達到了98%。其次，設計人員需要利用軟件篩選出兩組人工波以及五組天然波，并使隔震結構與非隔震結構的主要周期點影響系數的平均值與反應譜的偏差在±20%以內，之后再進行分析。從分析結果來看，在時程工況與反應譜工況下結構基底剪力比值都符合要求。且與非隔震結構相比，隔震結構的底部剪力減小了50%以上，其中上部結構地震作用有所減小、層間剪力沿結構高度呈現均勻變化。此外，在提取罕遇地震下隔震支座拉壓應力后，受拉支座主要集中在電梯井以及樓梯間的底部，其中有3個支座的拉應力在1MPa以上，且支座的最大拉應力為1.05MPa。同時，隔震層的最大位移為330mm，比橡膠層總厚度的3倍要小一些，也比最小支座直徑的0.55倍小一些。

4.4 抗拉裝置設置方案

該隔震結構設計項目中電梯井底部與樓梯間底部的橡膠支座存在拉應力超限等問題，所以設計人員需要在嚴重受拉支座的四周設置11套新型抗拉裝置。在設置新型抗拉裝置時，設計人員需要將抗拉裝置的上法蘭板與隔震層梁底連接在一起并將下法蘭板與隔震層底板連接在一起。在設置新型抗拉裝置之后，隔震支座的最大拉應力降低為了0.9MPa，隔震層的拉應力減小了10%，新型抗拉裝置附近的隔震支座拉應力減小了20%左右[7]。在罕遇地震作用的影響下，新型抗拉裝置的最大拉伸力為1357kN，比設計承載力小。在重力作用的影響下，隔震支座只會出現軸向壓力。此外，只在電梯井與樓梯間的底部設置抗拉裝置所以不會對隔震結構的動力特性產生較大影響，且應用新型抗拉裝置之后隔震結構的隔震層位移以及減震系數都沒有出現變化。

5、優化新型抗拉裝置應用效果的策略

人們對新型抗拉裝置的了解相對較少，所以若想優化新型抗拉裝置的應用效果就需要加大推廣力度與研究力度。

5.1 加大新型抗拉裝置的推廣力度

相比于傳統的抗拉裝置，新型抗拉裝置更符合大高寬比隔震結構設計的要求，所以需要積極推廣新型抗拉裝置，增進設計人員對新型抗拉裝置的了解。在推廣過程中需要全面講解新型抗拉裝置的結構特點、應用方法以及應用原則，讓設計人員充分了解如何在大高寬比隔震結構設計中應用新型抗拉裝置。

5.2 加大對新型抗拉裝置的研究力度

新型抗拉裝置的結構較為復雜，所以若想充分發揮其在大高寬比隔震結構中的作用就需要深入研究新型抗拉裝置。（1）設計人員需要全面分析新型抗拉裝置的結構及各個部分的具體作用。例如，設計人員需要分析上部導軌、下部導軌、限位器、T型倒扣、滑槽等各個部分的具體作用。（2）設計人員需要深入研究新型抗拉裝置的力學性能試驗檢測方法，準確判斷新型抗拉裝置的水平位移、設計拉伸荷載、設計拉伸位移、極限拉伸荷載、極限拉伸位移是否符合需求。（3）設計人員需要深入研究新型抗拉裝置的設置原則。即應將新型抗拉裝置設置在隔震層隔震支座存在拉應力超限的區域中；根據實際情況調整隔震支座的抗壓剛度；在布置新型抗拉裝置后需要準確計算隔震支座的拉應力并確保其拉應力在1MPa以內；確保隔震支座的極限位移在10倍屈服位移以內[8]。

5.3 加大人員培訓力度

做好設計人員的培訓工作可以提高新型抗拉裝置的應用質量，所以需要通過理念培訓、技術培訓等方式提高設計人員的專業素養。（1）需要加大理念培訓力度，幫助設計人員樹立先進的隔震設計意識。在理念培訓過程中可以多講解進行隔震設計的必要性與重要性，提高設計人員對隔震設計的重視程度；講解先進的隔震設計理念，讓設計人員逐漸形成多元化的隔震設計意識；講解先進的隔震設計方法，增進設計人員對新型抗拉裝置等隔震手段的了解。（2）需要加大技術培訓力度，提高設計人員應用新型抗拉裝置的能力。例如，需要開展新型抗拉裝置力學性能試驗培訓，讓設計人員掌握新型抗拉裝置力學性能檢測的方法；開展新型抗拉裝置選擇培訓，讓設計人員學會根據隔震結構的設計要求選擇合適的新型抗拉裝置；開展新型抗拉裝置設置培訓，讓設計人員掌握新型抗拉裝置的優化設置方法。

5.4 加大應用控制力度

在隔震結構設計中應用新型抗拉裝置時需要做好控制工作，提高新型抗拉裝置的應用質量。（1）需要嚴格控制新型抗拉裝置的彈性剛度。設計人員需要根據抗拉裝置的軸向剛度以及受彎部件的彎曲剛度計算新型抗拉裝置的彈性剛度。（2）需要嚴格控制抗拉裝置的屈服力以及屈服位移。在設計過程中設計人員應根據屈服強度最小的部件計算抗拉裝置的屈服力以及屈服位移。（3）需要嚴格控制抗拉裝置的力學參數。受力狀態會對新型抗拉裝置的力學參數產生一定影響，例如在雙偏心狀態下新型抗拉裝置的屈服前彈性剛度最大且屈服力最小。為此，設計人員需要科學控制新型抗拉裝置的受力狀態與力學參數。第四，需要嚴格控制抗拉裝置的布置方式。設計人員需要根據隔震支座以及隔震層的實際情況選擇合適的布置方式，增強新型抗拉裝置布置的科學性。

結語：

提高建筑工程的抗震性能具有重要意義，而在隔震結構設計中，靈活應用新型滑軌式抗拉裝置可有效解決隔震支座拉應力超限等問題，因此設計人員需要提高對新型抗拉裝置的重視程度，對抗拉裝置進行力學試驗檢測并根據測試結果設置裝置的簡化模型。在應用新型抗拉裝置時也需要優化裝置設置方案，從而在優化減震效果的同時減小支座拉應力。