帶新型抗風拉索高層隔震結構抗風與隔震性能探究

王思琪

摘 要：本文主要是提出一種由灰鑄鐵與鋼絲繩組成的新型串聯型抗風拉索。該種結構可有效運用于高層防震結構中，不僅對風荷載作用下的橡膠支座抗風能力進行有效提升，同時還可實現鉛芯橡膠支座數量的有效減少。抗風拉索退出工作的現象長期存在于地震作用力下，上述技術可實現對等效水平剛度的有效減少，最終實現隔震層與抗風性能協調的目標。這不僅對高層隔震結構的建設有促進作用，同時對社會經濟發展有重要意義。

關鍵詞：高層隔震結構；抗風拉索；抗風性能；隔震性能

在實際對隔震結構隔震層進行布置時，多數方法是通過增加鉛芯橡膠記支座等方法來實現，這不僅對相關技術要求進行滿足，同時可對抵抗風荷載的力量進行有效加大。從風雅壓較大的地區高層隔震結構角度來說，在實際進行抗風設計時不僅要加大鉛芯橡膠支座的抗風承載力，還要對隔震支座水平高度以及減震系數設計目標進行有效減少，這兩者之間存在一定的矛盾。為對上述現象進行解決，部分學者提出全新的技術與抗風裝置，這對有效的解決高層隔震結構以及抗風穩定性的矛盾有促進作用。

一、新型串聯型抗風拉索的工作原理及構造

新型的串聯型抗風拉索裝置是在提高抗風承載力與鉛芯疊層橡膠支座的基礎上進行，灰鑄鐵以及鋼絲層是其重要組成部分，主要運用串聯的方式對上述材料進行結構連接。三段式串聯組裝的抗風拉鎖裝置不僅可以有效解決抗風穩定性問題，還可實現對剛度需求的有效滿足。柔軟性是綱絲繩軸向的顯著特征與缺陷，因此并不能實現對壓力的有效承受。在實際進行工作時，只能向軸周傳遞拉力，這對受拉性能進行直觀體現。剛度較強是灰鑄鐵的顯著優勢也與特征，同時其具有非常高的抗壓強度，但抗拉強度卻存在一定的缺陷。在實際進行連接時我們采取的是串聯的方式，所以灰鑄鐵構件只能實現對其抗拉性能的有效體現，但抗壓強度會受到一定的破壞。我們將兩種材料的力學特性以及串聯連接進行綜合分析，得出的結果表示新型抗風拉索軸向受力體現為單純受拉特性。

從風荷載作用力角度來看，抗風拉索協同鉛芯橡膠支座的抗風承載力是在減少鉛芯橡膠支座數量的基礎上實現，同時抗風拉索的拉力小于其強度，可長時間的保持彈性工作。這是鉛芯橡膠支座減少的有效作用。在遇到地震作用力的情況下，灰鑄鐵中向拉力會呈現出一個極限狀態，最終導致串聯體系斷開連接，抗風拉鎖不能實現繼續工作。為在真正意義上實現整個高層隔震結構的隔振性能提高，必須隔震層的等效水平高剛度有效減少，同時保持隔震支座對隔振性能的有效發揮。

二、工程概況和隔震結構分析模型

1.工程概況

該高層結構為新疆喀什地區的某辦公樓，結構形式采用框架-剪力墻結構，建筑類別為丙類建筑，建筑總高度74m，地上28層（包括隔震層）。隔震層層高1.6m，1、2層層高5.5m，3～26層層高2.9m，27層層高4.5m。結構設計使用年限為50年，主要設計依據：

（1）場地土為中硬場地土，場地類別Ⅱ類，設計地震分組第三組；

（2）基本風壓按50年一遇采用，取0.55kN/m2，地面粗糙度B類；

（3）區域抗震基本烈度8度，設計基本地震加速度0.3g。隔震目標：擬通過采用隔震技術，使結構在當地抗震設防烈度（8度（0.3g））下，上部結構的抗震構造措施降低1度（7度（0.15g））設計，即使隔震后的水平向減震系數β≤0.4。

2.隔震結構分析模型

采用ETABS對該高層隔震建筑進行有限元建模，上部結構采用彈性模型和剛性隔板假定，取地下室頂部為嵌固端，梁和柱采用框架單元，墻采用殼單元，樓板采用膜單元，隔震支座考慮拉壓剛度不等，采用Isolator1和Gap單元并聯方式模擬拉壓剛度非線性，隔震支座豎向拉壓剛度比取值為1/7。

三、帶抗風拉索高層隔震結構風荷載作用和地震作用反應分析

由于進行隔震設計后的結構基本周期的延長主要依賴于隔震層具有較小的等效水平剛度，一般認為水平剛度越小，隔震性能越好。隔震方案1的有可能滿足減震系數β≤0.4的設計目標，但有限元軟件ETABS的隔震分析結果顯示，這個方案按彈性計算所得的樓層剪力減震系數（7條地震波計算的平均值）的最大比值出現在Y向地震波作用下的14層，具體比值為0.406>0.4；而樓層傾覆力矩減震系數（7條地震波計算的平均值）的最大比值出現在Y向地震波作用下的3層，具體比值為0.430>0.4。

在隔震方案的最初設計階段，只依賴鉛芯橡膠支座提供抗風承載力，使隔震層的等效水平剛度最小的隔震方案1也不能達到減震系數β≤0.4的設計目標。產生這種矛盾的主要原因是在于在高風壓高層結構的隔震設計中，出于隔震層抗風承載力的設計要求，需要大量的鉛芯橡膠支座來提供抗風承載力，而鉛芯橡膠支座的Keq（水平剪切應變100%時的等效水平剛度）往往比較大，會很大程度地影響隔震結構的整體隔震效果，使得隔震方案設計要滿足目標減震系數成為了問題。

為了實現抗風拉索在風荷載作用下抗風、地震作用下達到抗拉極限承載力而拉斷退出工作，抗風拉索的抗拉極限承載力設計需要滿足下式：γWVW

由于抗風拉索中鑄鐵構件屬于強度較低的部分，而鋼絲繩的公稱抗拉強度一般可以達到1570～1960MPa的量級，在串聯系統中，當組成系統的任意單元失效，則系統就失去設計的功能。選取牌號為HT350的灰鑄鐵的屈服強度和抗拉強度作為串聯體系抗風拉索的屈服強度和抗拉強度，鋼絲繩的主要作用為連接與傳遞軸向拉力，鋼絲繩選取6×19S+IWR型。

四、結論

通過對分別設置了WRC+ISO抗風方案和ISO抗風方案的高層隔震結構進行風荷載作用下與水平地震作用下的對比分析，可以得出新型串聯型抗風拉索具有以下工作性能特點：

（1）風荷載作用時，協助鉛芯橡膠支座提供抗風承載力，從而減少鉛芯支座個數；地震作用時，拉索退出工作，減小隔震層水平等效剛度，有利于進一步延長高層隔震結構周期、優化隔震效果、降低減震系數。

（2）風荷載作用下，抗風拉索拉力遠小于極限拉力設計值，抗風拉索抵抗水平風荷載具有足夠的安全儲備；多遇地震作用下，抗風拉索在每條地震波作用下的拉力響應包絡值遠大于其極限拉力，保證多遇地震或以上強度地震作用下風拉索拉斷而退出工作的機制。

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