談基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展及存在的問題

王國(guó)祥 劉 彥 何 斌 柯 譜

(1.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008； 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

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談基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展及存在的問題

王國(guó)祥1劉 彥2何 斌1柯 譜1

(1.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008； 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

介紹了基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展歷程，簡(jiǎn)述了隔震支座的類型與主要功能，從高層和超高層結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)周期地震動(dòng)、豎向隔震、隔震溝處理等方面，分析了隔震技術(shù)存在的問題，為隔震技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)，隔震支座，隔震溝，地震作用

0 引言

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過在建筑物底部與基礎(chǔ)頂面設(shè)置隔震裝置，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，場(chǎng)地的特征周期一般在0.25 s～0.9 s之間，中低層抗震結(jié)構(gòu)的自振周期一般為0.2 s～1.2 s，合理布置隔震支座，可以使隔震結(jié)構(gòu)的自振周期延長(zhǎng)至2 s～5 s，從而避開場(chǎng)地的卓越周期，而且有些隔震裝置還加入了阻尼材料，在地震中通過阻尼材料耗散一部分地震能量，減少輸入到建筑的地震能量，降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度。

1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展歷程

有文獻(xiàn)記載的最早提出隔震思想的是河何浩藏，他在1881年提出將并排圓木分層交錯(cuò)重疊成幾層，其上澆筑混凝土形成相當(dāng)厚的地基，然后再在該地基上建造房屋，從而減少地震能量向結(jié)構(gòu)的傳遞。而在此之前，在世界范圍內(nèi)已存在一些具有隔震思想的建筑，比如我國(guó)的故宮，日本的法隆寺五重塔以及日本的鐮倉大佛等。

1924年鬼頭健三郎提出在基礎(chǔ)與柱腳之間設(shè)置凹面皿形盤，皿形盤中夾入滾軸軸承的隔震方案。1927年中村太郎論述了利用地震能量的吸收設(shè)備來降低輸入到結(jié)構(gòu)的地震能量的必要性，他對(duì)阻尼的認(rèn)識(shí)，正是之前的各種隔震方案所忽視的。1932年罔隆一申請(qǐng)了可擺動(dòng)式鉸接柱的專利，這種可擺動(dòng)式鉸接柱具有延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期的功能，并將該專利運(yùn)用于不動(dòng)銀行姬路支店和下関支店，這大概是世界首創(chuàng)的實(shí)用隔震建筑。1933年，在長(zhǎng)灘首次測(cè)定了強(qiáng)震記錄，1950年左右起，非線性振動(dòng)理論以及現(xiàn)代分析方法日趨成熟，在這樣的背景下，20世紀(jì)60年代后期至70年代，隔震研究走上了國(guó)際化、實(shí)用化的道路。

1966年英國(guó)的阿爾貝尼法院采用橡膠來防止地鐵振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。在1969年南斯拉夫?qū)W者在柏斯坦勞奇小學(xué)工程中首次使用了中間未加鋼板的隔震橡膠支座。1970年年初的法國(guó)、新西蘭、美國(guó)等國(guó)家，對(duì)疊層橡膠支座進(jìn)行了大量的性能試驗(yàn)，并在實(shí)際建筑物中使用，具有重要意義的是，20世紀(jì)80年代開始，各種阻尼耗能材料開始在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，比如William Clayton Building、郎格定克橋墩、新尼奧住宅樓、加利福利亞的市法院大樓等。

2 隔震支座的類型

2.1 普通疊層橡膠支座

普通疊層橡膠支座由橡膠層和鋼板兩部分組成，設(shè)置鋼板是為了提高隔震支座的豎向抗壓剛度，提高豎向承載力，而鋼板的存在不會(huì)降低橡膠本身的柔韌性[1]。疊層橡膠支座的阻尼性能不是很好，耗能性能較差，所以可采用附加各類阻尼器或者使用高阻尼性能的橡膠支座來增加其耗能能力。

2.2 鉛心橡膠支座

鉛心橡膠支座是在普通疊層橡膠支座中心孔插入鉛棒而形成的，鉛棒很好的提高了隔震支座的耗能能力。鉛棒的優(yōu)點(diǎn)在于一旦發(fā)生蠕變就可以產(chǎn)生較大的阻尼，鉛心橡膠支座不僅具有較小的水平剛度而且具有較好的耗能能力，鉛心橡膠支座是用的比較廣泛的一類支座。

2.3 高阻尼疊層橡膠支座

高阻尼疊層橡膠支座是通過在橡膠材料中加入一定量的石墨而構(gòu)成的，石墨的量決定了阻尼的大小。高阻尼橡膠支座與鉛心橡膠支座相似，不僅具有不錯(cuò)的耗能能力，滯回曲線比較飽滿，而且水平剛度也較小。該支座最明顯的優(yōu)點(diǎn)是即使在小變形時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的阻尼。

3 隔震技術(shù)具備的功能

隔震體系是在結(jié)構(gòu)底部和基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震消能裝置而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，隔震體系應(yīng)具備以下幾種功能：

1)水平剛度較小，能使結(jié)構(gòu)在隔震層上柔性移動(dòng)，使結(jié)構(gòu)體系的自振周期大大延長(zhǎng)，遠(yuǎn)離場(chǎng)地的卓越周期，從而能把地面運(yùn)動(dòng)隔離開，有效地降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

2)具有足夠的水平向初始剛度，在風(fēng)荷載或輕微的地震作用下，隔震層具有足夠的彈性剛度，以滿足正常使用的要求，當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，隔震層開始柔性移動(dòng)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入消能狀態(tài)。

3)提供較大的阻尼，具有很好的耗能能力，滯回曲線包圍的面積較大，隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過大的水平位移。

4)具有很高的抗壓剛度，使結(jié)構(gòu)在地震時(shí)和平時(shí)使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生豎向的變形。具有一定的抗拉剛度，隔震支座不應(yīng)在遇到豎向地震動(dòng)時(shí)發(fā)生損傷。

4 隔震技術(shù)存在的問題

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，隔震技術(shù)已經(jīng)從理論研究逐步發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，并且經(jīng)過了某些強(qiáng)震的考驗(yàn)，隔震結(jié)構(gòu)具有其他結(jié)構(gòu)形式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是，這項(xiàng)技術(shù)仍然存在很多問題需要完善，以下課題需要研究。

4.1 高層和超高層結(jié)構(gòu)中隔震技術(shù)的應(yīng)用

高層和超高層結(jié)構(gòu)本身具有較大的自振周期，采用隔震技術(shù)后，可進(jìn)一步延長(zhǎng)高層和超高層結(jié)構(gòu)的自振周期，從而進(jìn)一步避開場(chǎng)地的卓越周期，但是，高層和超高層結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后，某些隔震支座的拉應(yīng)力很可能超過規(guī)范的容許限制，開發(fā)出具有抗拉性能的隔震裝置將使隔震技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到高層和超高層結(jié)構(gòu)。

4.2 考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)

隔震結(jié)構(gòu)具有較大的自振周期，但是對(duì)于近斷層地震動(dòng)，具有較多的長(zhǎng)周期地震動(dòng)成分，而目前我們?cè)O(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，沒有考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響，日本311大地震后，某些隔震結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿郊铀俣容^大的長(zhǎng)周期地震動(dòng)而產(chǎn)生一定程度的損害。隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)成為必要[2]。

4.3 豎向隔震技術(shù)

隨著強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄的不斷增多，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)某些地震具有很大的豎向加速度分量，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了水平加速度地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，沒有涉及到豎向加速度[3]。隔震結(jié)構(gòu)具有比較低的水平剛度，但是豎向抗壓剛度與同尺寸的鋼筋混凝土柱的抗壓剛度相當(dāng)，在地震時(shí)，橡膠隔震支座并沒有起到隔離豎向地震動(dòng)的作用，開發(fā)出具有豎向隔震功能的隔震裝置是將來的發(fā)展趨勢(shì)之一。

4.4 隔震溝的處理

隔震技術(shù)雖然應(yīng)用比較廣泛，但是隔震溝在某些地震后也暴露出了一些問題，最典型的問題是隔震溝約束了隔震結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)，導(dǎo)致減震效果降低[4]。比如廬山地震時(shí)廬山縣人民醫(yī)院，雖然此醫(yī)院在地震后主體保存完好，但隔震溝由于限制了主體結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)，導(dǎo)致震后隔震溝破壞，減震效果降低。

5 結(jié)語

本文介紹了隔震技術(shù)的發(fā)展歷程和幾種常見的隔震支座以及隔震技術(shù)存在的一些問題，隔震技術(shù)作為一種日趨成熟的技術(shù)，能夠很好的降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，采用設(shè)計(jì)合理的隔震體系，其直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益都是非常可觀的。可以預(yù)測(cè)，隔震技術(shù)將會(huì)成為未來結(jié)構(gòu)工程師們廣泛使用的抗震設(shè)計(jì)方法。

[1] GSID—3，Guide specification for seismic isolation design[S].

[2] Hiroyuki Tamai,Yoshikazu K.Pseudo-elastic behavior of shape memory alloy wire and its application to seismic resistance member for building[J].Computational Materials Science,2002,25(7):218-227.

[3] 楊一振.基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[D].合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文，2011:35-84.

[4] 楊海旭，馬偉文，蔡永明.具有NES的復(fù)合摩擦擺隔震性能有限元分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(9)：1031-1036.

Discussion on base isolation technique developing and existing problems

Wang Guoxiang1Liu Yan2He Bin1Ke Pu1

(1.CollegeofCivilEngineering,KashgarUniversity,Kashgar844008,China; 2.ChinaCommunication2ndHighwaySurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Wuhan430000,China)

The paper introduces developing history of base isolation technique, briefly describes isolation bearing types and functions, analyzes problems existing base isolation technique from aspects of high-rise and super-high-rise building structure, long-term seismic vertical-isolation and isolating groove treatment, which has laid a foundation for studying isolating technique.

base isolation technique, isolation bearing, isolating groove, seismic action

1009-6825(2017)14-0035-02

2017-03-08

王國(guó)祥(1988- )，男

TU352

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