巨型框架結(jié)構(gòu)采用橡膠隔震系統(tǒng)的研究概述

張馨圓 王 寧 楊志年 葛楠

摘 要：實際工程中，巨型框架結(jié)構(gòu)具有重心高、所受荷載大的特點，在地震作用下又主要承受水平力，我們在框架結(jié)構(gòu)主次結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置橡膠支座，起到一定的隔震作用，對巨型框架結(jié)構(gòu)采用橡膠隔震系統(tǒng)的研究也具有十分重要的工程應(yīng)用價值。國內(nèi)外學(xué)者對于巨型框架結(jié)構(gòu)的隔震效果研究也做了一些工作，通過分析研究可知：在地震動作用下，巨型框架結(jié)構(gòu)體系可以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：巨型框架結(jié)構(gòu)；橡膠支座；隔震

1 引言

我們的生活豐富多姿，衣食住行和以前相比都有了顯著的提高，單從“住”來看，最開始人們居住的毛坯房，能遮風(fēng)擋雨人們就很滿足，隨著時代的發(fā)展，到后來的磚瓦房，再到后來的鋼筋混凝凝土大樓，人們的居住環(huán)境發(fā)生了翻天覆地的變化，現(xiàn)在辦公大樓、娛樂場所各色各樣、琳瑯滿目，它的發(fā)展也見證了我們思想文明的進步。每一次的自然災(zāi)害都給我們的生活財產(chǎn)安全造成了嚴重的危害，給我們以沉重的教訓(xùn)，如唐山地震、汶川地震等。從這些自然災(zāi)害中，人們逐漸積累經(jīng)驗教訓(xùn)，又隨著教育事業(yè)的重視及發(fā)展，專業(yè)人才的不斷增加，專業(yè)知識庫的不斷強大，使得建筑業(yè)得到了迅猛發(fā)展。

我國政治經(jīng)濟文化都得到了跨越式的發(fā)展，在這種大環(huán)境下巨型框架結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生， 同時也得到了大家的廣泛關(guān)注，隨著社會城鎮(zhèn)化趨勢越來越顯著，巨型框架結(jié)構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用。巨型框架結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還在力學(xué)性能分析方面都要顯著于普通框架結(jié)構(gòu)體系。就當前的研究狀況來說，國內(nèi)外的研究還都處于初級階段，對巨型框架結(jié)構(gòu)體系的研究具有深遠意義。橡膠支座是結(jié)構(gòu)體系中的主要隔震裝置，它具有水平剛度較小、豎向承載力高、水平側(cè)移容許值較大的特點，我們將這種橡膠支座加入到巨型框架結(jié)構(gòu)中形成新的隔震基礎(chǔ)，對這種新型隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的研究具有十分重要的意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 巨型框架結(jié)構(gòu)體系研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外研究學(xué)者對巨型框架結(jié)構(gòu)體系做了很多的研究，理論研究方面比較有代表性的是：日本學(xué)者武藤清用具有等效變形的剪切、彎曲、軸向柱替換巨型柱，用具有等效變形作用的彎曲、剪切變形梁替換巨型梁，建立了一個分析模型，即用等效框架模型對剛框架結(jié)構(gòu)體系進行彈塑性分析。

Pouangare等幾位學(xué)者，將巨型框筒結(jié)構(gòu)看成空間結(jié)構(gòu)框筒，剪力、彎矩對它的影響又很小，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系比較，矩形框筒結(jié)構(gòu)優(yōu)點就非常明顯了，它可以降低造價，又能節(jié)約材料。

研究學(xué)者惠卓對巨型框架結(jié)構(gòu)體系有著深入的研究，他依據(jù)相鄰巨型梁之間的巨型柱在水平荷載作用時反彎點出現(xiàn)的位置及個數(shù)，將巨型框架結(jié)構(gòu)體系分為兩類。除此之外，他還提出了巨型框架結(jié)構(gòu)體系在豎向荷載作用下的拆分原則，并推導(dǎo)相應(yīng)的公式。

胡慶昌、張美勵、孫金樨[2]等幾位學(xué)者對鋼筋混凝土巨型框架節(jié)點進行了深入研究，并進行相應(yīng)試驗分析。

袁廣林、張宇峰、舒贛平[3]等幾位學(xué)者對帶有人字型節(jié)點的巨型框架結(jié)構(gòu)或帶有八字型節(jié)點的巨型框架結(jié)構(gòu)模型進行了低周反復(fù)荷載的試驗。

2.2 隔震結(jié)構(gòu)體系研究現(xiàn)狀

隔震結(jié)構(gòu)就是在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了隔震支座，用來消耗地震時產(chǎn)生的能量，減小地震時結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，保障結(jié)構(gòu)安全。對隔震的研究歷史悠久，最早在一百多年前就有文字記載了，當今社會，在建筑結(jié)構(gòu)中增添隔震裝置也是非常普遍。

早在20世紀70年代我國就開始了對隔震技術(shù)的研究。80年代以來，我們對隔震材料的研究越來越深入，對它的了解越來越深，取得了實質(zhì)性的進展，隔震建筑的具體應(yīng)用也證實了，它能夠在不同程度上經(jīng)受住地震的考驗。

華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院的老師們也對隔震結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進行深入分析研究，其中蘇幼坡、王興國、葛楠等人對隔震結(jié)構(gòu)體系的抗震性能和隔震效果的分析也取得了顯著的成果。

3 橡膠支座

橡膠支座在隔震結(jié)構(gòu)體系的研究得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，橡膠支座既可以單獨應(yīng)用于結(jié)構(gòu)，也可以與其他結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系組成聯(lián)合體再使用，使其隔震效果更好。

橡膠支座的內(nèi)部填充物有很多種，最常見的有補強劑、防老化劑等，橡膠支座的橫向變形非常小。在橡膠支座層厚相同的前提下，單層厚度越小，橡膠支座所受的豎向剛度就越大。

橡膠支座的優(yōu)點可以概括為：①橡膠支座的初始剛度很大，在受到水平荷載作用并且荷載較小時，橡膠支座可以很好的應(yīng)用；②發(fā)生地震時，橡膠支座能夠使結(jié)構(gòu)的周期延長，有良好的隔震效果；③橡膠支座豎向剛度很大，可以承擔(dān)豎向荷載作用；④橡膠支座具有良好的穩(wěn)定性，且在受到力的作用時具有很好的自身復(fù)位功能；⑤橡膠支座簡單易用，造價低。

常見的橡膠支座有天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座。天然橡膠具有高彈性的特點，多用于制作普通的橡膠支座；鉛芯橡膠支座的最大特點就是在普通橡膠支座中心嵌入了相應(yīng)直徑大小的鉛棒，因為鉛棒的屈服強度較低，導(dǎo)致橡膠支座在受力后可以恢復(fù)，且能吸收更多的地震能，能產(chǎn)生很好的隔震效果。

4 總結(jié)

我們以巨型框架采用橡膠支座隔震系統(tǒng)為研究對象，首先畫出系統(tǒng)的簡化模型，利用拉格朗日方程建立隔震結(jié)構(gòu)的運動方程，再使用MATLAB軟件進行分析，我們向程序中輸入不同的地震波，對輸出的數(shù)據(jù)圖形加以分析，得出結(jié)論：①在輸入不同地震波的情況下，通過調(diào)整等效剛度系數(shù)和等效阻尼系數(shù)，就可以對結(jié)構(gòu)起到隔震作用；②將不使用橡膠支座的巨型框架體系與使用橡膠支座的巨型框架體系進行分析比較，可以得知設(shè)置了橡膠支座的隔震系統(tǒng)的最大層間位移、最大樓層位移、最大樓層速度及最大樓層加速度都得到了顯著減小，隔震效果非常明顯

參考文獻：

[1] DORA Foti. Optimal design of a new seismic passive protection device made in aluminium and steel[J].Structural engineering and mechanics，2010（1）：119～122.

[2] 葛楠，蘇幼坡，王興國.建筑物滾動摩擦隔震理論[J].河北理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（4）：132～136.

[3] 葛楠，蘇幼坡，王興國等.結(jié)構(gòu)TMD控制及AMD最優(yōu)控制減震效果計算研究[J].建筑科學(xué)，2017（33）：3+8～13.

[4] 葛楠，李鳳鑫，王芳等.多點地震輸入橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置疊層橡膠隔震支座效果研究[J].工程抗震與加固改造，2014（4）：73～80.

[5] ABDULLAH M M， RICHARDSON A， SOBANJOJ. Use of a shared tuned mass damper（STMD） to reduce vibration and pounding in adjacent structures[J]. Earthquake Engineering and Sturctural Dynamics， 2010，30：1185～1201.

[6] 吳彬.鉛芯橡膠支座力學(xué)性能及其在橋梁工程中減、隔震應(yīng)用的研究[M].北京：鐵道科學(xué)研究院， 2003：31～36.

[7] 杜永峰，寇巍巍.高溫下疊層橡膠支座的熱力學(xué)分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2010（6）：150～153.

基金項目：

河北省高等學(xué)校青年拔尖人才計劃項目（BJ2018008）。

作者簡介：

張馨圓（1989—），女，唐山樂亭人，助教，碩士研究生。