基础隔震技术（精选9篇）
基础隔震技术 篇1
0前言
所谓基础隔震, 是在建筑物的上部结构与基础顶面之间设置一层具有足够可靠性的隔震层, 使上部结构与基础分离, 阻隔地震波向上部结构的传播, 使输入结构的地震能量被隔震层的耗能元件吸收, 从而大大减少上部结构的地震反应, 以保证建筑物的安全。
1基础隔震技术与普通抗震技术的区别
传统抗震结构主要利用主体结构构件屈服后的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量, 这使得这些区域的耗能性能变得特殊重要, 而一旦由于某些因素导致这些区域产生问题, 将严重影响到结构的抗震性能, 产生严重破坏, 由于破坏部位位于主要结构构件, 其修复是很难进行的。
由于传统抗震结构是以防止结构倒塌为目标, 其抗震性能在很大程度上依赖于结构 (构件) 的延性, 以往的许多研究也留意于提高结构 (构件) 的延性方面, 却忽略了对结构损伤程度的控制。传统抗震结构的耗能能力主要依赖于主体结构的延性。既要求主体结构强度高, 又要求延性好, 很难实现。
1.1 框架结构
许多研究者推荐强柱弱梁体系作为最合适的抗震框架体系。该体系可将地震输入能量分散在结构的许多部位耗散掉, 甚至可以控制塑性铰出现的顺序与部位, 延性对于使建筑物在罕遇地震中保存下来固然很重要, 但这些预期的塑性铰区在中等程度的地震中也会产生, 延性也同时应被看作是一种“破坏”。后期修复费用也很高。
1.2 剪力墙结构
剪力墙结构体系具有抗侧刚度大, 在水平地震作用下的侧移小, 其总的水平地震作用也大等特点, 常见的震害一般来说为墙面的斜向裂缝或是底部楼层的水平施工缝发生水平错动, 当底部屈服后, 剪力墙的抗侧作用就很小, 且剪力墙的耗能也基本集中与底部塑性铰区域, 上部墙体对抵御强震无显著作用。而且剪力墙要承担一定的竖向荷载, 因此底部的破坏也十分难修复。
1.3 框架-剪力墙结构
从抗震概念设计来说, 框架-剪力墙结构具有了多道抗震防线。有框架和墙体组成的抗震结构中, 框架的刚度小, 承担的地震作用力小, 而弹性极限变形值和延性却较小。整个结构在地震作用下, 墙体很快超过自身的较小弹性极限变形, 出现裂缝, 水平承载力下降, 此时框架尚未充分发挥自身的水平抗力;墙体开裂后, 框架承担的地震力增大, 同时由于结构刚度的变化, 地震作用效应也发生了变化。但无论是剪力墙还是框架, 都是主体结构的一部分, 损伤坏后的修复工作都是比较困难的, 而且花费也不小。
而基础隔震技术是通过高新技术产品——建筑隔震橡胶支座, 将上部建筑结构与下部地基结构隔离, 由于建筑隔震橡胶支座中的隔震层刚度小, 柔性强, 当地震发生时隔震层将发挥“隔”的作用, 代替上部结构承受地震强烈的位移动力, 以此来隔离或耗散地震的能量, 避免或减少地震能量向上部结构传输, 此时, 由于隔震层的作用, 延长结构的周期并给予较大的阻尼, 使上部建筑结构的反应相当于不隔震情况下的1/4～1/8, 近似平动, 从而“隔离”了地震的作用。
传统的建筑抗震技术主要特点是“抗”:上部建筑的基础与地基牢固的联结在一起, 由于地震作用, 引起上部建筑结构一起发生运动, 此时上部结构就像电路上的放大器, 对地面运动的作用力进行惯性放大作用, 所以上部建筑结构要承受比地面还要大的地震作用破坏力, 当建筑材料超过极限承载能力后, 建筑物就会发生破坏、坍塌等地震灾害现象。
从以上对比可以看出, 基础隔震技术已经从“抗”到“隔”, 突破了人们的传统设计观念, 形成了中国抗震技术史上的一次重大革命。
2隔震技术的类型及优点
目前建筑隔震技术主要有以下几种:
2.1 基础隔震
(1) 夹层橡胶垫隔震装置。
用于隔震装置的橡胶垫块, 可用天然橡胶, 也可用人工合成橡胶 (氯丁胶) 。为提高垫块的垂直承载力和竖向刚度, 橡胶垫块一般由橡胶片与薄铜板叠合而成。
(2) 铅芯橡胶支座。
这样就使支座具有足够的初始刚度, 在风荷载和制动力等常见载荷作用下保持具有足够的刚度, 以满足正常使用要求, 但强地震发生时, 装置柔性滑动, 体系进入消能状态。
(3) 滚珠 (或滚轴) 隔震。
有自复位能力的;有加铜拉杆风稳定装置;横向油压千斤顶位的。另外, 还有加消能装置的, 消能装置有软消能杆件, 铅挤压消能器, 油阻尼器, 光阻尼器等。
(4) 摇晃支座隔震。
同原理还有踏步式隔震制作, 用于细高的结构物, 如烟囟、桥墩、柜体筒体建筑物等。
(5) 滑动支座隔震。
上部结构与基础之间设置相互滑动的滑板。风载、制动力或小震时, 静摩擦力使结构固结于基础上;大震时;结构水平滑动, 减小地震作用, 并以其摩擦阻尼消耗地震能源。
2.2 悬挂隔震
悬挂隔震是将结构的全部或大部分质量悬挂起来, 是地震动传递不到主体质量上, 产生较小的惯性力, 从而起到隔震作用。悬挂结构在桥梁、火电厂锅炉架等方面有大量应用。
悬挂结构悬杆受力较大, 须采用高强钢, 而高强钢忍性差, 在竖向地震作用时易拉断。为减小竖向地震作用, 可在吊点设减震弹簧, 并配合使用阻尼器。
隔震体系的优点在于能够明显有效地减轻结构的地震反应。从振动台地震模仿试验结果及美国, 日本建造的隔震结构在地震中的强震记录得知, 隔振体系的结构加速度反应只相称于传统结构 (基础固定) 加速度反应的1/3～1/10。这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的。从而能非常有效地保护结构物或内部设备在强地震冲击下免遭任何毁坏。在地面剧烈震动时, 上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。这既适用于一般民用建筑结构, 确保居民在强地震中的绝对安全, 也适用于某些重要结构物和重要设备。抗震涉及的对象从考虑整个结构物的复杂的不明确的抗震措施转变为只考虑隔震装置, 简单明了。结构物本身与一般非地震区的做法无疑, 设计施工大大简化。地震后, 也只需对隔震装置进行必要的检查更换。而无需考虑建筑结构物本身的修复, 地震后可很快恢复正常生活或生产, 这带来极明显的社会效益和经济效益。
3隔震技术的原理
隔震技术是指在基础 (或底部柱顶) 和结构底部之间设置水平刚度相对很小的隔震装置, 与一般常规多层结构相比, 它具有以下几个特点:
(1) 隔震结构的基本周期比常规多层结构的基本周期明显延长, 因此地震作用大为减小;
(2) 上部结构在地震作用下的振动近似为“整体平动”, 而常规结构地震作用下的振动一般为自下而上的“放大摆动”;
(3) 隔震结构可以根据要求提供比常规结构高得多的阻尼值, 以大量消耗结构振动能量。
(4) 隔震结构的隔震特性。隔震装置具有可变的水平刚度特性, 在强风或微小地震时, 具有足够的水平刚度, 上部结构水平位移极小, 不影响使用要求;在中强地震发生时, 其水平刚度较小, 上部结构水平滑动, 使“刚性”的抗震结构体系变为“柔性”的隔震结构体系, 其自振周期大大延长, 远离了上部结构的自振周期和场地特征周期, 从而把地面震动有效地隔开, 明显地降低了上部结构的地震反应。
4建筑隔震技术的现状及应用
建筑隔震技术从结构体系到科学思想是对现行抗震技术的发展与突破, 隔震技术的应用使得建筑在遭遇地震时不倒塌成为可能。基础隔震是在建筑物与基础之间设置柔性隔震系统, 把建筑物与基础隔开。由于隔震系统很“柔”, 使80%以上的地震能量很难传入上部建筑, 地震时地动而房不动, 提高了抗震能力。从而有效地保护建筑物。
1970年新西兰率先开发出可靠、实用的橡胶隔震支座, 大大推动了建筑隔震技术的发展。橡胶隔震技术目前已成为世界上使用最广泛的建筑隔震高新技术。建筑隔震橡胶支座就表现出了它出色的隔震性能。例如, 1995年1月17日, 日本阪神地区发生里氏7.2级地震, 造成了令人震惊的惨重损失。在这次地震中, 距离震中35公里的邮政大楼采用的基础隔震技术发挥了很好的隔震减震效果, 其所处场地的地震危害程度达到了震度7度 (相当于我国地震烈度的9°～10°) , 地震中及地震后, 整幢大楼一切照常运转。与此例相似, 1994年1月, 美国洛杉矶北岭的地震中, 采用基础隔震技术的南加利福尼大学校立医院表现同样出色, 震后不仅不影响营业, 还在震后救灾中发挥了出色的救援作用。基础隔震技术至今被国内许多建筑采用, 同时建筑隔震支座被编入抗震设计规范中。汶川地震中, 甘肃武都县3栋6层民用住宅使用了隔震技术, 地震后完好无损, 而附近建筑物普遍墙体开裂, 物品翻到。上述例子说明隔震建筑具有非常好的抗震性能。
目前, 世界上有许多国家在开展基础隔震技术的研究, 这项技术已被应用在桥梁、建筑, 甚至是核设施上。我国已建造了1 000余栋的叠层橡胶垫隔震楼房, 已 (在应用面积上) 超过日本。
中国的抗震方针是:“小震不坏, 中震可修, 大震不倒。”所以现在修建的房子是允许地震破坏的, 例如:保险公司基本上不对建筑物投保地震险。中国实行的是“不保财产”的基本政策。地震现状是:高危险的, 不设防的!“提高建筑物安全储备”这个命题仍将会是长期的基本国策。
5结语
四川汶川地震灾难波及面之广, 破坏力之大, 伤亡之惨重, 震惊了世界人民。人类曾经的荣耀与未来的保障, 莫不在于对生命孜孜以求的护卫, 无论是向现代文明国家的进步, 还是对未来自然灾害的防卫, 归根结底, 都是源于对人生命与幸福的呵护, 面对具有如此巨大破坏力的地震灾害, 我们真的就束手无策、任其祸害吗?其实不然, 在5.12汶川地震发生后, 北京一著名建筑设计大师在做客中央之声节目时曾指出:“我国现在的防震技术已经达到世界水平, 只要采用先进的防震设计, 像5.12汶川这样的地震所产生的后果是完全可以减轻的。然而, 面对灾难, 我们不能一味地只作假设, 现在全国的建筑中采用建筑隔震技术的仍是少之又少, 希望经过这次沉重的教训, 以后在建筑设计中尤其是生命线工程设计中多多采用建筑隔震技术, 不再重演5.12这痛苦的历史。
摘要：地震是一种危害性极大的随机性自然灾害, 会给人类带来巨大的灾难。人们在与其长期地抗争过程中, 不断地总结经验, 寻求着更好的抗震防灾措施。其中, 基础隔震是结构被动控制中最重要的一项内容。
关键词：建筑基础,橡胶支座,隔震,基础隔震技术
参考文献
[1]周锡元, 阎维明, 杨润林.建筑结构的隔震、减振和振动控制[J].建筑结构学报, 2002, 23 (4) .
[2]李宏男, 霍林生.结构被动减震与隔震技术研究现状[J].工程力学 (增刊) , 2001.
[3]GB20688.3-2006, 建筑隔震支座国家标准[S].
基础隔震技术 篇2
关键词：基础滑移；刚构桥；抗倾覆
1 单质点基础滑移体系稳定判别条件
根据达朗贝尔原理可知，结构运动可以用拟静力平衡方程表示，地震时结构的最大水平惯性力应等于基底摩擦力。
2 单质点基础滑移桥梁稳定算例
以等高墩三跨刚构桥为例，验算桥墩在整个地震过程中的倾覆稳定性。
如传统桥梁一样，基础滑移隔震桥梁在桥台处对梁体均有横向约束，地震过程中，梁体不能像无横向约束时那样能够自由漂移，这样对动态过程中的横向稳定是有利的。
2.1 横向抗倾覆计算简化思路
基于上面的假定，等高连续刚构由对称性可以简化为一个“T”构的情形，只需验算单个“T”构在地震中保持横向稳定即可。
在el-centro波作用下，经理想化处理后滑移隔震结构的横向响应来论证简化思路的可行性。
为模拟较弱的横向约束，将梁端的节点向横桥向水平移动合适距离，通过弹性连接，将新建节点与梁端节点连接起来，并赋予弹性连接单元较小的轴向刚度。
工况1：在桥台处梁端横向约束较弱，弹性连接轴向刚度取800KN/m
工况2：在桥台处限制梁端的横向位移
由计算结果可知，桥台处对梁体的横向约束很弱时，地震过程中整个梁体横向变形很小，最大相对横向位移为28mm；而在桥台处限制梁端的横向位移的情形，梁体的横向响应就很大，最大横向相对位移达到113mm。梁端横向约束很弱时，梁体做刚体横向漂移，论证了简化思路的可行性。
梁体横向变形大小与梁端处横向约束强弱密切相关，二者的关系曲线由下降段、上升段和水平段组成。过小的横向约束和过大的横向约束对结构的受力都不利。
2.2 横向抗倾覆计算流程
计算基础滑移桥梁横向抗倾覆稳定性，应分别计算结构的总倾覆力矩 和总抗倾覆力矩 ，然后根据条件 来判别结构的稳定性。
基础滑移桥梁地中的运动状态有啮合和滑移两状态，而两状态下结构所受的惯性力不同。因此需分两阶段验算结构的抗倾覆稳定性。墩柱顶底最大的横向位移差为268mm，远小于墩的横向宽度6.15m。表明墩的最大倾斜状態时，结构在整个地震过程中，自重始终提供的是抗倾覆力矩。
3 防止桥梁倾覆的措施
当不能满足基础滑移桥梁抗倾覆稳定性要求时，需设置一些辅助设施来帮助结构抵抗倾覆。
图3.1所示的基底柔性锚固，是通过墩底扩大基础中心与承台中心通过无张力的钢绞线连接起来。图3.2所示的墩顶柔性锚固，是通过柔性缆索将墩顶与地面锚体相连，每个桥墩对称的设置两个柔性缆索。
4 小结
本文主要推导了基础滑移隔震桥梁滑动状态时抗倾覆稳定的判别条件，得出了滑移桥梁倾覆问题与结构的固有属性相关而与地震能量的输入无关。同时推导了等高墩三跨刚构桥采用滑移技术时，验算其横向抗倾覆稳定性的简化思路。并且发现，梁端在桥台处无横向约束时，梁体的横向变形将很大，同时横向相对变形的大小、边跨跨度、桥台处横向约束的刚度，三者之间存在一定的关系。
参考文献：
[1] 熊仲明. 基础滑移隔震房屋的计算研究[D]. 西安建筑科技大学学位文， 1994
[2] 夏修身， 陈兴冲. 铁路高墩桥梁基底摇摆隔震与墩顶减震对比研究[J]. 铁道学报， 2011
[3] 国家强震动台网中心
建筑基础隔震加固技术分析 篇3
既有建筑物的基础隔震加固技术可以分为两类:一类是对原位建筑的基础隔震加固技术。另一类是结合建筑物整体移位的基础隔震加固技术。对既有建筑物采用基础隔震技术进行加固, 可以产生巨大的经济效益和社会效益。其优点之一是不影响建筑物二层及二层以上用 (住) 户的正常使用。因为基础隔震加固技术的实施, 只需要在建筑物的底层为其提供施工操作的空间, 而采用传统的抗震加固改造技术, 均需要对整个建筑结构进行“手术”, 使得建筑物内部的器械、设备以及生活用品需要移出建筑物或停止使用, 极大地影响到正常生产生活活动。特别是有些装修高档的建筑物, 抗震加固必须将其装饰进行拆除而产生很大浪费, 而隔震加固技术则完全可以避免这种不必要的浪费。另外在建筑物的整体移位工程中, 可以采用像滚轴隔震、滑移隔震以及滚轴和橡胶垫混合隔震等技术, 在建筑物移位到指定位置后不把滚轴取出, 而是把建筑物移位时用的滚轴作为滚轴隔震的隔震元件, 在采取一定的复位、限位措施后, 即可完成对其隔震加固改造, 既可以提高上部结构的抗震性能, 也可以缩短施工工期。基础隔震加固技术对古建筑物加固保护尤为适用。目前, 隔震技术的发展已经进入推广使用阶段, 国内外的隔震房屋已越来越多, 我国的《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001) 也已经将隔震和消能减震设计纳入其中。
2 基础隔震结构的种类及技术要求
2.1 基础隔震的种类
基础隔震体系按隔震机理的不同划分, 目前主要有:叠层橡胶垫隔震体系、摩擦滑移隔震体系、滚轴或滚珠摩擦隔震体系、摩擦滚摆式支座隔震、组合隔震体系等。
2.2 隔震建筑的设计原则
在隔震结构的设计中, 应通过对结构的整体特性, 结构布置, 结构刚度的分布等的合理设置, 控制结构地震发生时的反应性能, 达到减小地震反应的目的, 一般需要遵循以下原则:
(1) 在隔震建筑的设防目标一般应高于传统建筑。合理设计的隔震建筑一般均可达到“小震不坏, 中震不坏或轻微破坏, 大震不丧失使用功能”的设防目标。
(2) 隔震建筑结构的体型基本规则。应控制隔震支座的布置及结构的刚度使其分布均匀, 尽量使结构刚度中心与上部结构的质量中心的偏移小一些, 这样做可以保证结构不因太大的扭转作用而发生意外破坏。
(3) 基础隔震技术对低层多层建筑为适合, 隔震建筑的房屋高度和层数应符合有关设计技术规范中的相应规定。
(4) 由于建筑隔震技术的特点, 隔震建筑一般更适合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类建筑物场地, 并且在结构设计中选用刚性较好的基础类型, 以保证隔震层的稳定性和在地震中运动的一致性。
(5) 一般来说, 隔震建筑隔震层的抗拉能力比较薄弱, 根据剪切型结构的特点, 为了保证隔震结构的稳定性, 确保隔震结构的抗倾覆能力及地震时有效防止上部结构与隔震层之间的脱离, 应对隔震结构的高宽比加以控制, 隔震结构的高宽比应满足下表的要求, 当高宽比不满足要求时, 应进行罕遇地震下的抗倾覆验算。
2.3 隔震结构的构造要求
隔震层的布置原则:隔震层由隔震支座、阻尼装置和抗风装置组成, 阻尼装置和抗风装置与隔震支座可以合为一体, 也可以单独设置, 必要时可以设置限位装置;隔震层的刚度中心宜与上部结构的质量中心重合;隔震支座的平面布置宜与上部结构竖向受力构件的平面位置相对应, 隔震支座的底平面一般宜布置在相同标高位置上, 必要时也可以布置在不同的标高位置上;同一房屋选用多种规格型号的隔震支座时, 应注意规格型号尽量统一, 并注意充分发挥每个隔震支座的承载力和水平变形能力;同一支撑处选用多个隔震支座时隔震支座之间的净距应大于安装和更换时所需的空间尺寸;设置在隔震层的抗风装置宜对称、分散地布置在建筑物的周围;抗震墙下隔震支座的间距不宜大于2.0 m。
基础隔震建筑的上部结构及隔震层部件必须和周围的固定物脱开, 如图2所示, 图中上部结构与水平方向固定物的脱开距离h1不小于隔震层在罕遇地震作用下最大位移的1.2倍且不小于20 mm, h2不小于隔震支座中橡胶总厚度的1/25加上10 mm且不小于15 mm。
2.4 既有建筑物隔震加固技术应用需要解决的问题
根据基础隔震结构的特点, 在进行建筑物整体移位基础隔震加固和原位建筑的础基隔震加固改造时, 必须解决以下几个关键问题:
(1) 上部结构需具有一定的刚度, 主要是上部结构切割脱离基础后, 要采取措施增强切割面的水平刚度。
(2) 有可供基础隔震加固施工时的施工空间和隔震构件的安装空间。
(3) 基础隔震构件的植入施工技术及与原结构的连接质量保障措施。
(4) 考虑既有建筑物隔震加固改造特点的隔震结构设计方法。
3 在建筑物整体移位及加固改造工程中采用基础隔震加固的施工技术措施
3.1 增强隔震结构底部水平刚度的技术措施
在建筑物整体移位工程中, 沿建筑物纵横向布置的托换加固体系在水平切割面处具有较大的水平刚度, 一般均可满足隔震层对水平刚度的要求。对结构刚度较小的框架结构, 通常也是结合移位结构托换加固体系设计, 在切割面顶部布置水平托换加固底盘, 该底盘在移位施工中起到托换加固和承受移动外力的作用, 在隔震加固后起到增强隔震结构水平刚度的作用, 采用支撑式托换加固底盘, 也可以为隔震装置安装及使用期内检修维护提供操作空间。
3.2 既有建筑物隔震加固工程中隔震支座的布置
常用叠层橡胶隔震支座的外径一般从200 mm到1 200 mm不等, 高度从100 mm到550 m。安装隔震支座时, 必须充分考虑既有建筑物的施工特点, 可以在柱下面对称布置隔震支座, 用两个或四个小型的隔震支座并联, 代替单个大型号隔震支座, 使隔震支座的几何中心线与上部结构柱的中心线重合, 既可以满足隔震结构的需要, 又可以降低施工难度。基础隔震支座布置示意图如图3所示在既有建筑物基础隔震加固工程中, 必须考虑既有上部结构已经存在的特点, 结合托换加固体系施工预埋上连接板的预埋件, 可以考虑如下两种隔震支座钢板连接施工方法:机械连接和焊接。
4 建筑物整体位移工程中基础隔震支座施工步骤
基础隔震构件在建筑整物体移位工程中的施工过程。第一步:按新建隔震结构的要求设计和施工新基础、上轨道梁和托换加固底盘, 在浇注新建基础和托换加固底盘时, 预埋连接隔震支座的上下予埋钢板, 并在移动时注意对钢板施加保护措施, 不能让其变形、松动或脱落。第二步:建筑物移位到设计位置后, 经校正上下预埋板和隔震支座, 采用机械连接或焊接的方法安装隔震支座。第三步:对隔震支座采取保护性构造措施 (如防火防锈等) , 抽掉滚轴, 完成移位和隔震改造。
5 基础隔震支座在原位建筑隔震加固改造工程中的施工技术
隔震础隔震技术应用在原位建筑物加固工程中, 关键仍是柱墙托换技术的实施, 隔震支座布置形式和建筑物移位工程相似, 但隔震支座的安装更接近新建的基础隔震工程, 施工难度相比移位工程也容易一些。基础隔震建筑物可分为三部分, 即上部结构、隔震体系 (包括隔震支座、回复装置、阻尼器等) 和下部基础, 上部结构通过隔震层与下部基础相连。既有建筑物的上部结构和基础一般都是刚性连接在一起的, 因此在进行隔震加固改造时, 必须切断上部结构和基础的连接, 并采取措施增加上部结构切割面的水平刚度, 以满足隔震体系对上部结构水平刚度要求。
5.1 柱的隔震加固改造
对柱进行隔震加固改造, 一般先要对已经开挖暴露的基础柱按照隔震计算及构造要求进行加固, 可采用加大截面法对原有基础进行加固, 还要增加保证上部结构水平刚度的钢筋混凝土托换加固底盘。具体施工步骤如下:柱隔震加固施工过程第一步:按隔震结构设计及构造要求加固原建筑柱基础。第二步:按照新建隔震结构的技术要求安装基础隔震支座, 浇注增加上部结构刚度的托换加固底盘。第三步:切断原结构柱和基础的连接, 完成隔震托换, 并采取必要的构造措施, 即可完成柱的隔震加固改造。
5.2 剪力墙的隔震加固改造
对剪力墙进行隔震加固改造, 一般可按施工步骤进行:第一步:对剪力墙基础按隔震结构的受力要求进行加固, 增加适合梁柱受力体系的基础柱, 浇注下支撑梁, 预埋隔震支座的下连接钢板预埋件。施工时要注意新旧混凝土结合面的处理, 使后浇混凝土和原混凝土结合成一个完整的受力体, 然后在混凝土剪力墙上开凿出能够满足安装隔震支座和基础隔震支座正常工作空间的洞口。第二步:按新建隔震建筑中隔震支座的施工方法, 安装基础隔震支座。第三步:浇注上支撑梁和托换底盘, 待混凝土达到设计强度时, 切断原混凝土剪力墙和基础的联系, 保证整个上部结构能在地震发生时可以在水平方向上自由移动, 并采取必要的构造保护措施 (对隔震支座的保护以及管线的改造等) , 即可完成对混凝土剪力墙的隔震加固改造。
6 结束语
在实际工程中, 建筑物的移位加固改造和既有建筑物的隔震加固改造因具体建筑物的情况不同而具有很大的变异性, 很难提出通用的施工方法和技术措施, 在实际应用时可以参照上述施工步骤进行有针对性的专项设计, 保证既有建筑物隔震加固改造工程的安全和有效。在建筑物整体移位和既有建筑物加固改造工程中应用基础隔震技术, 目前还是隔震技术应用的新领域, 还存在许许多多技术难题需要进行研究, 但其所具有的隔震效果和技术优点已经引起众多结构工程界学者的重视。
摘要：既有建筑物的基础隔震加固技术是根据基础隔震原理, 对既有建筑物进行抗震加固, 其思路充分利用已有建筑物上部结构抗震能力的基础上, 根据既有建筑物的特点, 在建筑物的下部插入隔震装置 (如隔震支座、阻尼器、限位装置以及回复装置) , 从而隔离、耗散、吸收输入上部结构的地震能量, 实现提高既有结构抗震能力的目标, 本文对此进行了分析。
基础隔震技术 篇4
摘要：随着气候以及地质特点的变化，现如今中国黄河以南以西藏、云南等地区为中心，多发生地震灾害，在一定程度上给人们的生产生活带来严重影响，对人们的经济财产带来极大的损失。因此，在增强人们抗震意识的前提下，对于建筑结构也要加强隔震减震措施，本文首先分析建筑结构隔震减震的原则，随即探讨建筑结构中隔震减震技术的发展与应用。
关键词：建筑结构；隔震减震，发展应用
一、前言
由于地质板块的移动，我国处于亚欧板块震动多发带的边缘，在加上最近我国发生地震灾害次数的增多，对我们每个人都是一种考验，同时要求我们不断普及地震防护以及自救知识，并且对政府及有关部门提出更高的要求，及时加固房屋及大型建筑物，对于新建设的建筑物要做好隔震减震处理，给予人们相对安全的生活居住环境，并要防御二次地震带来的伤害。
二、建筑结构隔震减震设计原则
1.建筑结构中柱的设计
在建筑结构设计中最为重要的就是柱的设计，因为有了柱子的支撑才能撑起整栋建筑物，可以说是建筑物中的所有柱子承载了整个建筑物百分之九十的重量，若想使得整个建筑物结构严实，承重敦实，对建筑物内外的柱子设计就要别有用心，不可麻痹大意。而且在地基与屋顶之间的连接，靠的就是这中间的柱子过度，若果柱子不结实，就更不用想象屋顶能够牢固。首先要确定柱子与地基之间紧密结合，因为如果一旦发生地震，通过地壳的剧烈震动，最先摇晃的就是柱子，若果能够保证柱子有很好的张力，就可以在地壳运动过程中，保持与地面以及屋顶之间紧密结合，通过强大的支撑能力就可以保证屋顶不至于坍塌，这样，即使是地壳水平地移动也只是整个建筑物整体的摇摆，不至于整体塌陷。因此，在设计柱子的时候要采用螺旋设计，这样就可以分数力的作用点，不會全部作用到整个柱面，就可以均匀地将冲击力分数出去，保护柱体，而且，要根据建筑整体结构的特点，计算好使用多少根柱子合适，既不会浪费原料占用过多空间，又可以承载更多的重量，抗震效果较好。
2.建筑结构中梁的设计
在建筑结构中另一个重要的结构当然就是梁，因为梁是横在半空中，通过与柱连接，构成整个建筑的主体结构，成为骨架结构最上方的支撑，因此在梁的设计中最要关注的就是跨度，如果跨度较大，就需要多加梁来分担重量，否则在重力以及张力的作用下，梁的中心会逐渐下移形成折弯，为了有更好的延展性，就要对跨度比进行适当的调整，通过实际计算发现，梁的延展性最佳时的系数比值为5，比值达到8时都会有很好的表现，但是当跨度比为1时，延性系数会下降到3，这时候就十分危险，很容易产生折弯破坏，所以，在施工之前要进行精确的测量计算，避免产生破坏。
3.建筑结构中隔震设计
隔震设计是近几年来新兴的技术领域，是目前我国研究较多的革新抗震方法，隔震设计思想，主要是想在建筑物的底端增加隔震装置，阻尼器是目前使用最为广泛的装置，设计思想主要是通过在建筑物与地面之间安装的阻尼使得建筑结构与地面之间产生一定的空隙，形成弧状柔性结构，此结构间有空气可以流动，借助气流的流体作用，一旦发生震动，就可以产生巨大的反作用力，可以削弱冲击波向上的冲击力，减少地震产生的能量向上传递，拥有了这层隔离层的存在就可以一定程度上减弱冲击力。
4.建筑结构中减震设计
建筑结构的减震设计目前使用的较为广泛的就是橡胶，橡胶由于具有较好的柔性与弹性，在建筑结构设计过程中使用橡胶可以吸附因为震动产生的巨大的反作用力与反向冲击能量，而且，橡胶质地柔软，表面较光滑，内部分子运动相对较快，较为活跃，这样就可以吸附更多的反作用力，同时削弱向上方传递的能量，这就可以在一定程度上减少震动产生的巨大能量。支撑是现代建筑体系中重要的一环，尤其是在高层建筑结构中最为常见，其不但可以提供建筑物整体所需要的刚度，也拥有强大的承载力。
三、建筑结构隔震减震技术发展
由于地震产生的巨大震动以及摇摆力，使得在地面上的建筑物受到地震波横向、竖向的冲击，这就造成地面上的建筑物受到外力作用产生巨大的晃动与颤抖，更严重者会使得建筑物整体坍塌，这将造成巨大的灾难，因此，如果对建筑物本身进行隔震减震处理，就可以在一定程度上减少经济损失。
对于建筑结构的隔震减震技术研究在我国已经经历了几十年的历程，从人们意识到地震会给人类带来灾难的同时，就加大力度对其进行研究，想要借助人力来扭转天灾的损失，让人们不至于每天都生活在恐慌之中，可以凭借自己的智慧为我们美好家园做点什么，直到我们的知识结构不断完善，科技水平不断发展，同时学习向日本这些地震多发国，在隔震减震领域较丰富的经验。此时，我们在面对地震时便不再像之前那么怯懦，虽然我们需要做的还有很多，但是，我们现在已经见到了成效，我们不再束手无策。
减隔震技术的应用，会给传统建筑设计带来一定的影响。减隔震构件的设置会对建筑空间划分、墙体位置、空间形态产生影响，这就要求非结构专业应该了解其相关要求，尽可能的选择合理的平面布置形式，并将必要的减隔震构件加以隐藏或装饰。
四、建筑结构隔震减震技术实际应用
隔震减震技术目前在我国建筑工程施工过程中已经得到了较广泛的应用，而且不仅仅是新建建筑项目中，在已经建成的建筑进行加固施工时也有了很多的应用，尤其是在云南、甘肃、福建等地在建筑的防火层或者是设备层增加隔震减震设计。有些地理条件允许的施工场地还可以建设减震墙，通过减震墙的设计起到保护建筑物主体的作用。而且，随着对隔震减震技术研究的深入，投入的人才、资金的不断增多，有更多的科技人员献身到该领域，并不断提出新的思想，比如，像高层隔震是否可行，都以进入实际论证阶段，并且对于隔震装置的安装部位也更加广泛，不仅局限于建筑物的底部。建筑施工使用的材料中是否可以加入抗震剂，增强骨架结构的刚度与挠性，等等都将起到极大的作用。
五、结束语
减震技术在中国起步较早，并有了比较完善的技术手段，在建筑物结构设计中能够得到相对完善的应用，隔震技术是最近新兴的技术领域，发展较缓起步较晚，但在实际应用中却有着至关重要的作用，因此，要求我们加大对其研究的力度，不断鼓励技术创新，在该领域取得不断的突破，有朝一日使得人们能够在地震面前没有恐慌，没有畏惧，因为我们有很好的防御保护措施。
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基础隔震技术 篇5
基础隔震技术作为一种有效的被动控制技术, 以其优良的减震效果及经济适用性得到工程界的普遍认可, 并已在国内外建筑结构中广泛应用;与此同时, 基础隔震技术在建筑结构中应用时也面临着一些关键问题, 如隔震装置的力学性能、隔震装置的耐久性、隔震结构的动力分析方法及隔震结构设计合理选择输入地震动等, 本文将就上述一些问题进行探讨, 同时, 通过比较各国规范中隔震设计方法及设计思想等的差异, 为我国基础隔震的应用和发展提供有益的建议。
1 基础隔震技术的概念及原理
1.1 基础隔震的基本概念
基础隔震体系是指在结构物底部与基础顶面之间合理设置某种隔震装置来达到建筑物与地震隔离的目的。它包括上部结构、隔震装置和下部结构基础三部分。通过调整或改变结构的动力性能, 由隔震层的隔震装置吸收并消耗主要地震能量后, 仅有少部分能量传到上部结构, 明显衰减结构的地震反应, 地震发生时建筑物只产生较轻微运动, 结构处于弹性阶段, 从而保证建筑物内人员、设备的安全。
1.2 基础隔震的基本原理
基础隔震原理可以用单自由度弹性体系的地震反应谱来说明。图1, 图2为建筑结构加速度反应谱和位移反应谱示意图, 一般低层和中高层的钢筋混凝土建筑物刚性大, 周期短, 在地震作用下, 加速度反应大, 位移反应小, 即为图中A点。 延长建筑物周期, 阻尼保持不变, 则加速度反应降低, 位移反应增加, 即为图中B点。在延长建筑物周期的同时, 加大结构阻尼, 则加速度反应减小, 位移反应得以抑制, 即为图中C点。由此可见, 适当延长结构周期, 并给予恰当的阻尼可有效降低结构反应。而位于结构底层的隔震装置, 则实现了二者的有机结合, 它能够安定持续的支承建筑物重量, 追随建筑物水平变形, 具有适当弹性恢复力, 能够耗散地震输入的能量, 使得上部结构甚至在遭受罕遇地震时, 依然可以保持弹性工作状态, 仅发生近似平动。
2 基础隔震技术在建筑结构中应用的若干关键问题
2.1 隔震装置的力学性能
国内外隔震结构目前技术比较成熟, 并已在国内外广泛应用的隔震装置是夹层钢板与橡胶层紧密粘结的标准型夹层橡胶隔震垫。橡胶支座基础隔震系统通常可分为隔震器和阻尼器两大部件, 其力学性能主要通过第一形状系数S1 (橡胶支座中每层橡胶支座的有效承压面积与其自由表面积之比) 和第二形状系数S2 (橡胶支座有效承压体的直径与橡胶总厚度之比) 来决定。
2.2 隔震装置的耐久性
按现行标准, 大部分建筑结构设计使用年限为50年。实践表明, 隔震支座的工作寿命可超过50年。如澳大利亚墨尔本某铁路桥使用橡胶支座[1], 于1889年建成, 已使用100多年, 老化深度仅为5 mm。目前的橡胶隔震支座产品, 大都采取了外围保护层以及抗老化剂、阻燃剂等措施, 寿命可达到或超过房屋设计使用年限。即使隔震层部件在房屋设计使用年限内需要改装、更换, 其施工也是不难操作的。
2.3 隔震结构的动力分析模型
隔震结构动力分析模型主要分为单质点隔震体系和多质点隔震体系, 其中单质点隔震体系是将上部结构简化为一个刚体, 不考虑上部结构的层间位移。其体系的恢复力模型是隔震层的双线性恢复力模型, 体系的刚度采用隔震层的刚度, 体系的质量采用上部结构质量, 不考虑隔震层的质量。多质点隔震体系是将隔震层作为一个质点计入结构体系。上部结构采用层间剪切模型, 从而形成“串连多质点体系”模型。多质点隔震体系是将基础隔震层作为第一个基本单元, 其刚度为隔震支座的刚度, 上部结构仍然将各楼层视为一个质点。
2.4 隔震结构设计合理选择输入地震动
输入地震波的周期成分对隔震结构的反应影响很大, 若输入地震波的短周期成分较多, 则隔震结构的反应值会越小, 反之, 若长周期成分较多, 则隔震结构反应值会越大。故在对隔震结构作时程分析时需要严谨地选择合适的地震波。
3 关于中、美、日三国规范基础隔震设计思想的比较
中国、日本和美国三个国家建筑抗震规范[2,3,4]的有关规定不但与三国的地震背景、区划方法、衰减规律等技术问题有关, 还与设防水准、设防目标有关, 而且在很大程度上取决于经济和行政的决策。而三国在隔震技术实现手段上也不尽相同, 如表1所示。
从表1可以看出:这三国规范都规定隔震建筑应选用稳定性较好的硬土场地。日本限定在1, 2类型的场地, 中国限定在Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ类型的场地, 美国限定在A, B, C, D类型的场地。同时, 也限定了隔震建筑的最大高度, 日本规定隔震建筑高度不超过60 m, 中国的不超过40 m, 美国的不超过19.8 m。美国还规定原不隔震结构的基本周期要趋于1 s, 而中国的要小于1 s, 日本则规定只考虑隔震支座的刚度时隔震结构的周期大于2.5 s。中国和美国都规定为基础隔震, 即结构第一层以下的部位, 且隔震支座不允许受拉, 而日本则不限。由于日本隔震建筑的高度较高, 因此, 它还规定了隔震层的刚度中心和上部结构的质量中心的最大偏心率为3%。日本强震作用下的隔震结构需用时程分析法来计算, 我国和美国的隔震结构在一般情况下都采用时程分析法计算, 也可基于反应谱的等效线性化的静力简化设计方法。在应用等效线性化分析方法时, 在结果中需要考虑一些安全系数, 而时程分析方法可以不考虑。
由于三个国家的国情不同, 在抗震设防目标、抗震设防水准及抗震设计方法上都不相同, 适用的范围有各自的针对性, 但在隔震设计思想方面及动力分析等方面都是基本相同的。
4 结语
相比传统以刚克刚的结构抗震设计思想, 基础隔震技术开辟了一条以柔克刚的结构抗震新思路。在保证结构安全性的同时, 也可降低造价达到经济性的目的。在应用于建筑结构时, 国内外基本上都形成了较为完整的成套技术, 相应的技术规范也已基本成型, 但依然存在着一些关键问题有待理论上的完善, 对这些问题的关注和解决对于进一步的完善基础结构隔震技术和提高我国建筑结构抗震水平都具有重要意义。
摘要：简要说明了基础隔震技术的基本概念及原理, 并对基础隔震技术在建筑结构中应用时面临的若干关键问题进行了探讨, 同时, 对中国、美国和日本抗震规范中基础隔震的设计思想等进行了比较分析, 以指导实践。
关键词：基础隔震,抗震规范,设计思想
参考文献
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基础隔震结构初探 篇6
一、隔震支座
传统的隔震支座分为弹簧和滑动支座两种。前者包括普通叠合橡胶支座、高阻尼叠合橡胶支座;后者可包括普通滑动支座、橡胶滑动板支座。
弹性支座一般是由橡胶薄片与钢板交互叠合在一起加硫粘合。其特征与没有钢板的情况相比, 水平方向的刚度很小, 对垂直荷载来说, 由于此方向的变形受到钢板的约束, 该方向的刚度变大。对于弹性支座来说, 既要求其稳定地支持建筑物的自重, 同时又要求有水平方向上周期较长的特点, 可以说这些叠合橡胶是能满足要求的。
滑动支座是不具有明确周期的支座, 由于不具有特定的周期, 所以具有可在相当广的频率范围内期待隔震效果这一优点。
(一) 普通叠合橡胶支座
橡胶原料中, 有橡胶树上采集的天然橡胶, 有1930年美国杜邦公司开发的氯丁二烯橡胶, 还有其他多种人造橡胶。现在较多国家使用的叠合橡胶主要是氯丁二烯橡胶。从天然橡胶和氯丁二烯橡胶两种材料的特性来看, 天然橡胶除抗臭氧等耐候性不良外, 其破坏特性、抗蠕变形, 对变形的恢复性能特性等较优, 弹性率对温度的依赖性也小;而氯丁二烯橡胶的耐候性较优, 耐寒性和抗蠕变性与天然橡胶相比稍微差一些。日本等一些国家主要采用天然橡胶与氯丁二烯橡胶共同使用的办法制作叠合橡胶支座。
(二) 高阻尼叠合橡胶支座
这种支座采用高阻尼橡胶材料制造。高阻尼橡胶可以通过在天然橡胶中掺入石墨得到, 根据石墨的掺入量可调节材料的阻尼特性。高阻尼橡胶也可以用高分子合成材料, 这种人工合成橡胶不仅阻尼性能好, 抗劣化性能也极佳。和铅芯叠合橡胶支座一样, 高阻尼叠合橡胶支座也兼有隔震器与阻尼器的作用, 在隔震系统中独立使用。
(三) 普通滑动支座
砂垫层、石墨垫层滑动支座以及不锈钢板和聚四氟乙烯为滑动材料的支座, 都属于普通滑动支座。图1所示为某滑动支承结构。
这类支座的特点是:利用支座的滑移使建筑物和地基解祸, 除了滑移之外还兼有阻尼作用。然而, 支座本身不具有位移恢复能力, 不具备明确的周期, 这一点和具有特定周期、具有复原能力的叠合橡胶支座不同。
(四) 橡胶滑动板支座
这一滑板支座是由两块普通滑板支座组成, 接触面为氟板, 并有润滑剂, 可保证接触面的最大初始滑动摩擦系数不大于0.06, 稳定摩擦系数在0.05左右。支座上下部分在其外侧粘结一层橡胶, 当基底剪力大于0.06mg时, 结构滑动, 当滑移量较小时, 结构可自由滑动, 当滑移量超过一定量值时外层橡胶受到张力, 使支座具有一定的刚度, 从而控制结构的滑移量。这种支座的另一特点是具有全封闭型, 从而保证在房屋使用寿命内支座的摩擦特性不变, 具有很好的耐久性。
二、基础隔震特点分析
(一) 基础隔震结构的优点
(l) 由于隔震装置把结构物的承重构件与承受水平地震的构件分开, 使承重构件受到较小的水平力, 避免其在强地震作用下进入塑性状态, 从而可靠地提高了地震作用下结构的安全度和可靠度。
(2) 基础隔震方法能够较为准确地控制传到上部结构的最大地震作用, 且受力明显, 从而克服了传统抗震方法中设计结构构件难以准确地确定其荷载的困难, 降低了地震作用的不稳定性。
(3) 基础隔震方法把结构的变形局限在隔震支座上, 结构自身的相对变形大大减小, 甚至在强震时仍保持在弹性范围内, 可以保护非结构构件不受地震的损坏。
(4) 隔震支座即使在震后产生较大的永久性变形或损坏, 其复位、更换、维修、也要比更换、维修结构构件方便、经济, 基础隔震结构的修复比传统结构要容易得多。
(二) 采用隔震设计的主要限制
(1) 软土地基上的建筑因输入地震波含有丰富的低频成分, 难以采用隔震结构;
(2) 结构的自振周期大于1.55时隔震结构效果不大;
(3) 风载大于结构自重的10%时, 隔震结构会经常处于运动状态;
(4) 没有空间安装隔震支座并提供足够宽的隔震沟。
三、基础隔震结构研究成果
目前关于滑动隔震支座和叠层橡胶隔震支座的研究较多, 人们发现滑动隔震支座没有自复位能力, 在大震时将可能产生不可控制的位移;而叠层橡胶支座虽有自复位能力, 但是出于经济等各方面的考虑, 其直径不可能做得太大。摩擦摆隔震系统 (FpS) 作为传统滑动隔震支座的改进, 其特有的圆弧滑动面使其具有自复位功能, 摩擦摆系统剖面图见图2, 当上部结构自振周期较短时, 隔震结构的自振周期可延长至, 其中R是滑动球面的半径, g是重力加速度;也有人提出了组合基础隔震系统, 即叠层橡胶支座与滑动支座共同使用隔震系统, 并进行了试验研究, 研究表明叠层橡胶良好的自复位能力, 滑动支座较强的耗能能力, 使得组合隔震系统隔震效果明显, 是一种简单、经济、有效, 具有广泛应用价值的基础隔震形式;江世哲等人也提出了SMA被动隔震装置, 形状记忆合金 (SMA) 在伪弹性阶段具有较好的阻尼性能, 通过对SMA元件的合理布置, 可以使得隔震系统获得可观的耗能能力和震后复位功能;也有不少学者提出了带有主动控制、混合控制功能的隔震系统, 并对它们的性能进行了评价。
隔震支座的分析模型, 目前研究中比较常用的有:包括纯摩擦系统 (P-E) 、层合橡胶系统 (LRB) 、弹性摩擦系统 (RZFBI) 、法国电力公司的核电厂摩擦隔震系统 (EDF) 、新西兰的铅芯橡胶系统 (NZ) 和滑动加弹性摩擦系统 (SRZF) 等。此外还有学者对于一些特殊情况的支座提出了一些自己的看法, 如刘文光等人基于橡胶支座应力应变关系, 提出了双刚度与原点拉伸刚度应力应变两个计算模型。
此外还有关于其位移幅值的分析, 研究发现场地类别、地震烈度、隔震后结构基本周期、隔震层等效阻尼比是影响隔震支座位移幅值的主要因素。也有学者通过讨论隔震支座的简化力学模型及橡胶材料的本构关系, 利用三维非线性有限元.TL格式对铅胶隔震支座的动态特性进行了研究, 得出了反应支座垂直刚度、切向刚度的计算式, 可供设计直接使用, 吴彬《铅芯橡胶支座的非线性动态分析力学参数试验研究》对不同结构构造的铅芯橡胶支座进行了水平动态力学试验, 分析认为:铅芯橡胶支座动态力学性能 (特征强度、水平方向耗能、初始刚度、屈服后刚度及硬化比) 主要由其本身的几何构造及组成材料决定, 且在往复加卸载循环过程中具有较好的稳定性。
一系列的研究为基础隔震技术的设计理论与实践进行总结提供了第一手资料, 也表明隔震技术的成熟。
参考文献
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基础隔震结构的能量分析 篇7
抗震设计中广泛采用底部剪力法、振型分解法和时程分析法等,这些方法都是以结构的强度和位移作为结构设计和破坏的标准,但近来的震害分析结果表明,强度和位移标准不能完全反映地震对结构的影响。从1956年Housner提出能量法概念[1]以来,随着结构抗震理论的深入研究,目前对结构地震破坏比较一致的看法是,基于最大位移反应首次超越和塑性累积损伤的双重破坏准则比较符合震害和试验实际。用地震能量在结构的传递、转化和吸收(消耗)情况来反映结构破坏的情况。从能量角度而言,减小地震破坏的基本原则主要是以适当的方式减小或消耗地震输入的能量。
基础隔震结构是目前较为成熟的减震技术,隔震层的刚度较上部结构小,使结构自振周期增大,因而可减小地震输入,且在强震作用下,隔震层大量耗能,使上部结构基本保持弹性。本文对基础隔震结构采用三维建模,上部结构构件使用弹塑性杆系模型,允许进入塑性阶段,隔震支座采用一种基于力—位移关系的铅销橡胶支座(LRB)模型。通过时程反应分析,研究基础隔震结构的能量耗散情况、上部结构的弹塑性变形情况以及上部结构和隔震支座在强震中的相互关系。
1 能量方程的建立
在水平地震作用下,建立多自由度体系相对坐标系下运动方程[2,3]:
其中,[M],[C]与[R],[F]分别为质量矩阵,阻尼矩阵,滞回力列向量,隔震构件控制力列量;{﹒X},{¨X}与¨xg分别为结构的速度加速度地面的加速度为单位的列向量
对式(1)两端在相对位移下进行积分,得到基础隔震结构能量方程。任意t时刻,结构各项能量之和与地震输入能保持平衡:
其中,Ev为结构动能;Ec为阻尼耗能;Ed为隔震支座耗能;Ey为结构变形能(弹性变形能Eh+滞回耗能Ea);Ei为地震输入能。
2 基础隔震结构分析模型
采用三维结构非线性分析程序CANNY,对结构模型作如下假设:1)框架梁采用单轴弹簧模型表示其单向弯曲、剪切、轴向伸缩等各种变形分量的力和变形关系;2)柱采用多弹簧模型表示柱单元弯曲和轴向变形特性;3)各层的楼板为刚性,各层的自由度为3个自由度,即考虑重心处两个方向的水平变形和绕垂直轴的回转变形;4)不考虑地基土对结构的影响。
本文所采用的橡胶垫隔震支座,在竖向上采用单轴弹性模型;在水平向假定各个方向具有相同的刚度,采用双轴剪切模型,各个方向均以弹簧来模拟该方向的刚度,并且每根弹簧应具有相同的滞回模型,以保证水平向各方向刚度相同。一般情况下,设置的弹簧数不能少于两根。常用的隔震支座滞回模型包括双线性恢复力模型[4],Ramberg-osgood恢复力模型等。
3 算例分析
某7层综合办公楼,框架—剪力墙结构,主体高度39.9 m,属乙类建筑。抗震设防烈度为7度,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第1组,基本风压ω0=0.5 kN/m2,地面粗糙度为B类。该办公楼平面为矩形,平面尺寸为49.8 m×15.6 m,首层3.6 m,2层～12层层高均为3.3 m,地下室1层,层高4 m。框架抗震等级为二级,剪力墙抗震等级为一级。柱截面尺寸由700 mm×700 mm～500 mm×500 mm向顶层递减,主梁截面尺寸一般为300 mm×700 mm,混凝土强度等级在6层以下为C40,6层及6层以上为C35,梁板为C30,受力钢筋强度等级为Ⅱ级。结构平面布置图省略。
采用CANNY程序中提供的LRB型,本文分别选取El Centro波、Kobe波,采用横、纵两方向分别输入地震波,横向输入2条波的NS波,纵向输入2条波的EW波。根据地震设防烈度为7度,2条地震波最大峰值加速度均为0.1g,为观察在地震波作用下的能量反应,2条地震波均取整个作用时长[5]。该结构在不同地震条件下的地震能量反应结果见表1(其中,Ei表示输入地震能量,E1 i′表示结构总耗散能量);由典型地震波El Centro波、Kobe波作用下能量时程曲线可以看出,结构的动能和弹性应变能均在0线上下摆动,在地震输入能达到峰值时,动能也几乎达到最大值,两项能量在总输入能中所占的比例很小,并且在一定时间后,基本也趋于0。此外,Ei和Ec+Ey+Ek几乎近似相等,说明能量方程两端得到较理想的平衡。在隔震结构中,也有上述类似结论,所不同的是隔震支座耗能占总耗能有一定的比重,由表1可知该比重占50%以上。在反应终止时趋于0,结构吸收的总输入能全部由隔震支座耗能、阻尼耗能和非弹性滞回耗能所平衡。从表1中表示隔震与非隔震的输入结构的地震能可看出非隔震结构的能量大于隔震结构的约10%。隔震使得整个结构刚度降低,自振周期延长,因此地震的输入能量减少。另外,在2条地震波中,持续时间最长的Kobe波输入的能量并不是最多的,相反持续时间稍短的El Centro波却输入了较多的能量。仅从90%的能量持续时间来看,El Centro波为26 s,Kobe波为12 s。
从数值分析结果来看,结构的总耗能与地震输入能量基本平衡,证明了能量公式的正确性。在未加隔震支座时是以上部结构的滞回耗能起主导作用,使得大量的构件屈服;在基底加上隔震支座后是以隔震支座耗能起主导作用,有效地保护了上部结构,可以看出上部结构的构件屈服很少,甚至没有屈服,可以说它们还处于弹性阶段。
综上所述,采用基础隔震结构能量分析方法,从能量方面揭示了基底隔震层对于上部结构的保护途径,验证了基底隔震的有效性。由以上分析同时可以看出,不同的地震波对结构也有重要影响。因而,能量分析方法为基础隔震结构的进一步研究提供了新的思路,具有重要的应用价值。
4 结语
通过以上分析,在实际工程中如采用基础隔震技术,在结构体系中附设耗能装置,即将结构体系负担荷载的功能与耗散地震能量的功能分开,让结构主要是承担竖向荷载,而输入结构的地震能量则主要由安装在结构中的耗能装置来吸收,由于耗能装置吸收和耗散了绝大部分地震能量,结构本身所需消耗的能量减小,减少地震能量的输入,也能减少结构在地震作用下的动力响应,使结构尽量处于弹性工作状态,减少地震的灾害,从而有效地保护了主体结构从而使设计大大简化
摘要：通过建立有隔震和无隔震的七层框架结构的分析模型,对其分别输入两条典型的地震波进行地震能量反应分析,结果表明隔震结构能较好地满足能量方程,最后以能量分析方法为基础,建立了基础隔震结构体系的能量设计方法。
关键词：基础隔震结构,能量方程,滞回曲线,时程分析
参考文献
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某工程基础隔震动力时程分析 篇8
基础隔震是一种在建筑上部结构与基础之间设置柔性隔震层以隔离地震能量的房屋隔震设计方法[1]。通过延长结构自振周期、增大阻尼、减小输入上部结构的地震作用、达到预期的防震要求。本文利用ETABS软件,对某一实际工程结构进行地震作用下隔震前后的动力时程分析,并进行对比。
1 工程概况
1.1 工程简介
本工程为某医院住院楼,为6层现浇钢筋混凝土框架结构,总长51.9m,总宽21.6m,总高23m,建筑抗震设防类别为乙类,场地类别Ⅱ类,设防烈度为7度,结构平面布置如图1所示,结构采用基础隔震设计。
首先运用PKPM软件及ETABS软件建立与隔震结构完全相同的抗震结构模型,验证不隔震时SATWE模型和ETABS模型的一致性,再利用计算所得的各柱底最大轴力设计值作为隔震支座的轴力设计值[2],根据《建筑抗震设计规范》12.2.3条的规定,对于乙类建筑,橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过12MPa,据此确定了所选叠层橡胶支座的型号。然后采用有限元分析软件ETABS建立同一建筑物的隔震结构模型,进行数值模拟分析,在计算过程中假定上部框架结构处于弹性变形状态,只考虑隔震支座的弹塑性。
1.2 隔震支座的布置与选型
隔震层设计是房屋隔震设计的关键,它需要经过不断的选型、计算和优化,最终达到理想的效果,即在满足竖向承载力的前提下,尽可能的降低隔震层的水平刚度,以增加结构的自振周期,提高隔震效果。其中,主要工作为隔震支座的选型与布置,为了避免上部结构在受力和传力过程中发生扭转,要求隔震支座的刚度中心与上部结构的质量中心重合,同时隔震支座的布置也要跟整个结构的竖向受力构件的平面位置相对应,选择合适的支座可使减震效果及工程经济性同时达到最佳[3]。
经抗震结构模型重力荷载代表值计算,根据隔震支座的设计参数,最终确定在基础和上部结构之间布置36个橡胶隔震支座,采用的隔震支座型号为GZY500(24个),GZY600(8个),GZY700(4个),如图2。各种支座力学性能和构造尺寸如表1所示。
2 结构动力分析
2.1 分析模型
利用有限元分析软件ETABS对结构进行三维结构模型非线性动力时程分析,其中梁柱构件采用空间杆系单元模拟,混凝土楼板采用膜单元模拟,隔震支座采用连接单元模拟。普通叠层橡胶支座计算模型为线性模型,铅芯叠层橡胶支座计算模型选用空间双向耦合的非线性恢复力模型[4]。
2.2 地震波选用
选择适用于Ⅱ类场地的两组实际强震记录——Elcentro(NS)波和兰州波及一组根据场地地质条件生成的人工波。地震加速度时程曲线的最大值按规范设计反应谱进行调整,多遇地震时最大地震加速度为35cm/s2,罕遇地震时最大地震加速度为220cm/s2。根据《抗规》[1]规定:弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结果底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。为验证地震波选择的合理性,分别采用时程分析和振型分解反应谱法这两种分析方法计算出非隔震模型的上部结构在7度多遇地震作用下的最大层间剪力,其计算结果对比列于表2。从表2可以看出所选的地震波可用于工程设计[5]。
2.3 自振周期
通过对两种结构体系前6阶振型的模态分析,得出各结构前6阶自振周期如表3所示,从表3可以看出,非隔震结构的第一自振周期为1.04s,而隔震结构的周期为2.24s,相比之下第一自振周期增加了115.38%。模态分析的结果表明,采用基础隔震措施,能够显著延长结构的自振周期,从而避开场地的卓越周期,降低结构的地震反应,减轻结构在地震作用下的损坏程度。
2.4 结构位移反应
利用3条地震波作用结果的包络值作为动力时程分析结果,分别对非隔震结构和隔震结构在多遇及罕遇地震下结构楼层层间位移进行了对比,如表4所示。从表4中可以看出,采用基础隔震后,结构的层间位移响应减小,隔震结构的层间位移约为非隔震结构的30%-70%。同时可以看出,楼层位移均集中于隔震层,在多遇地震作用下,隔震层位移为15.69mm;罕遇地震作用下,隔震层位移为133.33mm,支座水平位移集中了楼层位移的90%以上[2]。
根据《抗规》[1]的规定,隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移应满足下列要求:
ui≤[ui]
ui=ηiuc
式中:ui—第i个隔震支座在罕遇地震作用下,考虑扭转时的水平位移;
[ui]—第i个隔震支座的水平位移限值,取不超过该支座有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度3.0倍二者的较小值;
uc—罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭 转的水平位移;
ηi—第i个隔震支座的扭转影响系数,取考虑扭转和不考虑扭转时i支座计算位移的比值;当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时,边支座的扭转影响系数不应小于1.15。
表5列出了该隔震结构在罕遇地震作用下隔震层的位移反应及验算结果,从表5中可以看出,隔震层的位移反应满足上述要求。
2.5 结构层间剪力
表6为非隔震结构和隔震结构在7度多遇和罕遇地震作用下的层间剪力对比,从表6可以看出,结构采用基础隔震后,层间剪力约为非隔震结构的18%-55%,减震效果显著。
2.6 水平减震系数
通过上述非隔震结构与隔震结构在7度多遇及罕遇地震作用下的时程分析结果对比,即表6,根据《抗规》可确定上部结构的水平方向减震系数。在多遇地震作用下,由表7可得,层间剪力比值最大值为0.44。即本工程结构的水平向减震系数为0.44,由于本工程所在地区设防烈度为7(0.10g),因此上部结构的抗震构造,还需根据7(0.10g)进行设计[1]。同时,对上部结构的刚度应进行合理布置,满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设防目的[6]。
2.7 隔震支座应力验算
对于乙类建筑,橡胶隔震支座在重力荷载代表值下的竖向压应力不应超过12MPa[1]。通过数值分析,得出本工程隔震层上各支座在重力荷载代表值下的竖向最大压应力10.08MPa,满足规范规定。此外,隔震层在罕遇地震下应保持稳定,不宜出现不可恢复的变形;橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下,拉应力不应大于1MPa[1]。对于本工程,在根据罕遇地震两方向不同荷载组合对隔震模型进行分析时,各支座水平变形均未超过150%,均未产生拉应力,故可满足规范要求。
2.8 隔震结构整体抗倾覆验算
《叠层橡胶支座隔震技术规程》[7]规定,进行结构整体抗倾验算时,应按罕遇地震作用计算倾覆力矩,抗倾覆安全系数应大于1.2。经验算,隔震结构X向和Y向抗倾覆安全系数分别为18.3和6.1,远大于1.2,满足要求。
3 结论
本文通过一工程实例,对结构的基础隔震进行了设计和分析,对隔震结构与非隔震结构在地震作用下的响应进行了对比,有如下结论:
(1)隔震结构自振周期明显延长,约为非隔震结构的2.2倍。
(2)隔震后结构的层间位移反应减小了30%-70%,隔震结构的水平位移主要集中在隔震层,从而保证了上部结构的安全性。
(3)隔震后结构层间剪力及各层倾覆力矩大大减小,层间剪力以及结构各层倾覆力矩约为非隔震结构的10%-20%。
对比分析结果表明隔震技术能有效控制结构的地震反应。
参考文献
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[3]赵蕴林.普通民用建筑基础隔震技术研究[J].四川理工学院学报:自然科学版,2011,(6):249-252.
[4]吴任鹏,王曙光,刘伟庆.等考虑橡胶支座拉压刚度不同取值对隔震效果的影响研究[J].工程抗震与加固改造,2008,(5).
[5]刘伟庆,王曙光,林勇.宿迁市人防指挥大楼隔震设计方法研究[J].建筑结构学报,2005,26(2):82-86.
[6]张哲.校舍抗震加固设计思路探讨[J].四川理工学院学报:自然科学版,2010,23(3):254-255.
基础隔震结构设计方法研究 篇9
对隔震建筑进行抗震设计的原则是尽可能减小上部结构的地震作用,并将隔震支座的变形控制在允许的极限变形范围内。上部结构吸收的能量与隔震层相比非常小,若上部结构能够抵抗与其刚体状态相称的地震作用,就能从为确保通常建筑物所要求的能量吸收能力的种种制约条件中解放出来[1]。另外通过排除隔震层的偏心,基本上能够消除由上部结构的能量和刚度偏心所引起的扭转振动产生的不良影响。因此,隔震建筑和传统的建筑相比,前者的设计自由度更大。
1 隔震建筑概况
1)隔震建筑由基础结构、隔震支座和阻尼器构成的隔震层、以及上部结构组成。2)对于地震作用以外的荷载和外力,隔震建筑的设计和传统结构相同。3)在研究设计地震动输入时建筑反应的基础上,设计隔震层和上部结构。这些分析研究可以对建筑物的横向和纵向独立进行。4)假设上部结构为刚体时,适当配置隔震支座和阻尼器避免隔震层出现偏心。根据设计地震动输入反应分析所得到的隔震支座的最大位移和最大轴力,以及阻尼器必要的能量吸收能力,要确保在各隔震装置的容许值范围内。5)针对设计地震动作用下的应力,可以对上部结构进行容许力设计。6)基础结构和传统建筑一样,要使其不发生过度沉降、转动或水平移动。
2 隔震结构设计
考虑到我国的隔震结构应用现状,结合我国GB 50011-2001建筑抗震设计规范[2](以下简称《抗规》),保证设计的可延续性,引入将简化估算方法和相对较为精确的时程分析方法相结合的思路,即为两阶段设计法[3]。两阶段设计法的具体内涵是在工程方案阶段,采用简化估算方法,便于快速提供在特定场地条件和结构体系以及隔震装置条件下的设计方案,为业主和设计单位提供决策参考;在施工图设计阶段依据我国现行的相关标准采用相对较为准确的时程分析方法,便于最终确定和优化布置、装置参数。其中,隔震结构第二阶段设计是保证结构隔震效果的关键步骤,为更好地推广隔震结构在设计上的应用,在设计计算过程中需要进一步明确隔震结构第二阶段设计中各部分计算模型及计算简图。
2.1 隔震结构时程分析
隔震结构的第二阶段设计是通过时程分析计算结构的地震需求和能力,对隔震装置的布置和装置参数的选取进行优化配置,进而设计出满足不同设防水平下结构预期性能目标合理的、经济的结构。隔震结构计算模型,按《抗规》规定,包括隔震支座、隔震层顶板的梁板结构及上部框架结构,简化为多个集中质点的剪切形结构,示意图如图1所示。隔震层水平刚度和等效粘滞阻尼比可根据隔震支座的性能参数Kj,ζj按下列公式计算:
其中,ζeq为隔震层等效粘滞阻尼比;Kh为隔震层水平动刚度;ζj为j隔震支座由试验确定的等效粘滞阻尼比;Kj为j隔震支座(含阻尼器)由试验确定的水平动刚度。
隔震结构水平向减震系数,应根据结构隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值,按《抗规》表12.2.5确定。同时还要验算隔震结构在罕遇地震作用下,隔震层的最大位移是否满足最大位移要求。另外,隔震结构体系进行时程分析时,输入加速度波形应符合抗震规范对地震波选取的标准要求[4]。
2.2 上部结构分析
和传统抗震房屋相比,隔震结构如果不设地下室,为了保证隔震层能够整体协调工作,隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。《抗规》要求,隔震层顶部的梁板结构,对钢筋混凝土结构应作为其上部结构的一部分进行计算和分析。因此在采用PKPM等结构设计软件进行上部结构设计时,隔震层顶部梁板的作用不能忽略,所采用的计算简图也与传统的抗震结构有所不同。
隔震结构设置了隔震层,从隔震层支座的受力来分析,隔震支座能传递上部结构的轴力和水平向剪力,但不能承担上部结构传来的弯矩。因为设计时取隔震层顶部梁板的刚度大于一般楼层梁板,目的就是使底层柱弯矩基本由隔震层顶部梁来分担。从支座变形来分析,隔震支座竖向变形很小,可以忽略不计,但在水平方向可发生较大位移,但位移值有一定的限制。因此,可以将隔震支座简化为一个铰支座和水平弹簧的组合,但考虑到PKPM等结构设计软件中没有相应的支座形式。当隔震层顶部梁板刚度较大,且嵌固形式可假设成无限刚性时,将隔震支座近似简化为铰支座进行设计计算。
隔震层顶部梁板平面内刚度很大,而柱的刚度较小,柱底的变形可以忽略不计。因此,可以将隔震建筑上部结构柱底进一步简化为固定端,与传统的抗震结构相比,该简化模型的底层层高从隔震层顶部梁板顶标高算起。
2.3 下部结构设计
下部结构通常是指隔震层以下的部分,不包括基础。《抗规》中规定的隔震层以下结构(包括地下室)的地震作用和抗震验算,应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力,水平力和力矩进行计算,并且应该考虑隔震层水平位移产生的附加影响,受力如图2所示。要精确计算罕遇地震下的下部结构的竖向力,需要对隔震结构进行弹塑性时程分析,但计算非常复杂,时间周期较长,不利于隔震结构的推广应用。因此,在设计计算中,假设隔震结构在罕遇地震下,其上部结构仍保持弹性,取罕遇地震下的等效水平刚度和等效阻尼比,对隔震结构进行罕遇地震下的时程分析,可以求得罕遇地震下隔震层水平位移、隔震层剪力、隔震层倾覆力矩。
其中,N为罕遇地震作用下上部结构隔震后的柱底或墙底轴力;V为隔震支座罕遇地震下的剪力;M为罕遇地震下下部构件上作用的弯矩。
《抗规》隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震下的水平剪力中各隔震支座的水平刚度分配,如下式所示:
其中,∑V为罕遇地震作用下隔震层的水平剪力;Khi,∑Khi分别为罕遇地震下的隔震支座水平刚度、隔震层水平总刚度。
3 结语
在隔震结构两阶段设计法的第二阶段,隔震结构各部分采用适当的简化模型进行设计计算,能够满足设计的精度要求,同时能有效地节省设计周期,有利于隔震结构的推广和应用。
参考文献
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[4]王亚勇,戴国莹.建筑抗震设计规范算例[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
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