新型隔震支座抗拉裝置的研究*

許　強，呂志超，黨　育（蘭州理工大學土木學院，甘肅蘭州730050）

?

新型隔震支座抗拉裝置的研究*

許強，呂志超，黨育
（蘭州理工大學土木學院，甘肅蘭州730050）

摘要：為了解決疊層橡膠支座的抗拉能力低的問題，對一種新型疊層橡膠隔震支座抗拉裝置進行了設計和分析，給出了該抗拉裝置的構造及尺寸，并提出了該裝置的力-變形關系，通過有限元軟件etabs模擬該裝置，并采用時程分析，在一個實際的13層隔震結構中分析對比了使用抗拉裝置和未使用抗拉裝置的情況，結果表明該裝置可有效減小隔震支座的受拉破壞。

關鍵詞：抗拉裝置；疊層橡膠支座；高層隔震結構

基礎隔震技術是通過在結構底部設置隔震裝置，延長上部結構的自振周期，減少輸入上部結構的水平地震作用，達到預期的減震要求[1]。目前最常用的隔震裝置是疊層橡膠支座。疊層橡膠支座是由鋼板和橡膠經過硫化作用壓制而成，實驗發現，疊層橡膠支座受拉后，內部橡膠受到提離而產生許多空孔，當拉應力達到1.5～3.0Mpa時，支座的抗拉剛度會急劇下降。并且當支座受拉后再次壓縮時，支座的受壓剛度降低至原剛度的1/2左右[2]。說明支座受拉后會產生較大損傷，嚴重影響支座的力學性能。疊層橡膠支座的這一特點，制約了隔震技術在高層結構中的應用。因為在高層建筑的豎向地震作用和水平地震作用引起的傾覆力矩都較大，若采用疊層橡膠支座進行隔震，支座很可能會出現拉力而破壞。因此，要將隔震技術推廣至高層建筑，解決支座的抗拉性能是一個非常關鍵的問題。

目前對于隔震抗拉裝置，已有一些研究。陶軒潔等人[3]提出了一種萬向鉸抗拉隔震支座，剛性拉桿通過萬向鉸固定在上下連接板上，承擔傾覆力矩等產生的拉力，抗拉擋板限制環形翼緣的豎向位移，防止支座失穩。蘇鍵等人[4]提出一種新型疊層橡膠隔震支座抗拉機構，該裝置用三個疊層橡膠支座并聯，通過懸挑裝置將拉力轉換成壓力，防止支座受拉。但抗拉裝置的構造相對復雜，且力學性能不夠明確。

因此，本文對一種新型疊層橡膠支座抗拉裝置進行模擬分析，并對該裝置進行力學性能研究和分析，結果表明，該裝置可有效減小疊層橡膠支座的受拉破壞。

1　新型疊層橡膠支座抗拉裝置的構造及力學性能

1.1新型疊層橡膠支座抗拉裝置的原理及構造

一種新型疊層橡膠隔震抗拉裝置的構造如圖1所示。該裝置通常與疊層橡膠支座并聯使用。在長期荷載和地震作用下，在無拉力的情況下，僅疊層橡膠支座受力，抗拉支座并不受力，只有在疊層橡膠支座受拉時，抗拉裝置才起作用。

該裝置由下連接鋼板和豎向板兩部分組成，豎向板錨固在梁上。豎向隔板開縫，使下連接鋼板可穿過豎向隔板。當隔震支座受壓會發生微小的壓縮，此時抗拉裝置與隔震支座分離，僅隔震支座受力，抗拉裝置不受力。當隔震支座受拉時，抗拉裝置與支座同時受拉。由于抗拉裝置的受拉剛度遠大于疊層橡膠支座的剛度，故拉力大部分由抗拉裝置承擔，這樣可保護橡膠支座不發生受拉破壞。而在水平地震作用下，抗拉裝置與隔震支座不能發生相互碰撞，為保證支座的水平地震作用下，抗拉裝置還能抗拉，上下鋼板之間的搭接長度也應滿足要求。通常，疊層橡膠支座的容許位移為0.55D，D為隔震支座直徑。圖中a為0.55D，D為隔震支座直徑。

圖1　抗拉裝置構造

1.2新型疊層橡膠支座抗拉裝置的力學性能及數值模擬

由前所述，抗拉裝置僅承受拉力，不承受壓力及剪力，其力-變形關系可寫為：

當d=d0時，

當d＜d0時

式中：d0為上下連接鋼板之間的縫間距。

式（1）表示，當拉伸變形d小于縫間距時，抗拉支座不受力。當拉伸變形d增加至與縫間距相同時，抗拉裝置的上下連接鋼板接觸，并限制橡膠支座受拉，抗拉支座開始起作用。

該抗拉支座的數值模擬采用有限元分析軟件etabs。考慮到上述的力學性能，采用非線性單元hook模擬該裝置。因為hook單元是不承受壓力，僅承受拉力，但hook單元的拉力為彈簧，而本文研究的抗拉裝置抗拉剛度近似于無窮大，因此，設置hook單元的豎向抗拉剛度為一個非常大的值，本文取為10倍的疊層橡膠支座抗壓剛度，同時不考慮疊層橡膠支座的豎向壓縮變形，取hook單元的鉤間距為0。

2　算例及分析

2.1工程實例

一棟13層的鋼筋混凝土框架結構，結構參數見表1。每個柱下布置一個隔震支座，隔震支座平面布置如圖2所示，其中1所示為1號隔震支座。疊層橡膠支座參數見表2。同時考慮到橡膠支座受拉，在結構四角布置抗拉裝置，圖中空心圓圈表示疊層橡膠支座未加抗拉裝置，實心圓表示疊層橡膠支座加抗拉裝置。

地震加速度采用El Centro地震波，加速度峰值為510gal。

圖2　隔震支座平面布置

表1　結構參數

表2　疊層橡膠支座的參數

2.2計算分析

2.2.1支座受拉分析

圖3為1號隔震支座的豎向位移時程曲線，其中虛線為未布置抗拉裝置時，1號支座的豎向位移時程，實線表示布置抗拉裝置時，1號支座的豎向位移時程。可看出，當未布置抗拉裝置時，角部隔震支座的豎向變形達到了12mm，遠大于支座的彈性變形。而布置抗拉裝置后，支座的豎向受拉變形幾乎為零，說明抗拉裝置限制了隔震支座的豎向變形，充分保護了隔震支座的受拉破壞。

圖3　1號支座的豎向位移時程曲線

2.2.2上部結構的響應

圖4（a），圖4（b），圖4（c）分別對比了未布置抗拉裝置和有抗拉裝置時，上部結構各層的最大加速度，最大豎向加速度和最大層間轉角。

從圖4可看出，采用抗拉裝置后，除1,2層外，上部結構的水平加速度反應與未設置抗拉裝置時基本相同，層間相對轉角略小，但豎向加速度明顯要小，這主要是因為抗拉裝置限制了結構的豎向變形，減少了因結構轉動在水平方向產生的位移。

圖4　設置抗拉裝置與未設置抗拉裝置的上部結構響應對比

3　結論

本文對一種新型疊層橡膠支座抗拉裝置進行設計和分析，給出了該抗拉裝置的力-變形關系，并采用有限元分析軟件etabs對該抗拉支座進行了數值模擬。通過在一個實際的13層框架結構中設置該抗拉裝置，動力時程分析表明，當未布置抗拉裝置時，角部隔震支座的豎向變形達到了12mm，遠大于支座的彈性變形。而布置抗拉裝置后，支座的豎向受拉變形幾乎為零，說明抗拉裝置限制了隔震支座的豎向變形，充分保護了隔震支座的受拉破壞。同時，采用抗拉裝置后，除1,2層外，與未設置抗拉裝置時相比，上部結構的水平加速度反應基本相同，層間相對轉角略有減小，而豎向加速度明顯減小，原因是抗拉裝置限制了結構的豎向變形，減少了因結構轉動在水平方向產生的位移。說明此抗拉裝置可有效避免隔震支座的受拉破壞，同時還可適當減小上部結構層間轉角，可達到預期的效果。

參考文獻：

[1]黨育,杜永峰,李慧.基礎隔震結構設計及施工指南[M].北京:水利水電出版社,2007.

[2]日本免震構造協會.圖解隔震結構入門[M].葉列平譯.北京:科學出版社,1998.

[3]劉思聰,溫留漢·黑沙,張迪.高層建筑抗拉隔震支座國內外研究現狀[J].華南地震,2014,34(1):75-79.

[4]蘇鍵,溫留漢·黑沙,周福霖.新型疊層橡膠隔震支座抗拉機構研究[J].工業建筑,2010,40(12):43-46.

*基金項目：甘肅省財政廳項目，蘭州理工大學大學生創新項目。

中圖分類號：TU973.31