基础隔震技术在建筑结构中的应用探讨

刘昱彤

基础隔震技术在建筑结构中的应用探讨

刘昱彤

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。

基础隔震,抗震规范,设计思想

0 引言

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 5mm。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[2-4]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。

表1 中、美、日三国规范中关于隔震技术的比较

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60m,中国的不超过 40m,美国的不超过 19.8m。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。

[1]CECS 126∶2001,叠层橡胶支座隔震技术规程条文说明[S].

[2]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]FEMA,1997,NEHRPGuidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings,FEMA-273(Washington,D.C.：Federal Emergency Management Agency).

[4]ICC,2002,2003 International Building Code,Falls Church,VA：International Code Council.

On exp loration for foundation seism ic isolation technique in architectural structures

LIU Yu-tong

The paper briefly indicates the basic concepts and the ideas for the foundation seismic isolation technique,exp lores some key problems in the application of the foundation seismic isolation technique in architectural structures,and undertakes the analysis and comparison for the design ideas for the foundation seismic isolation in the anti-seism ic regulations in China,America and Japan,so as to direct the practice.

foundation seismic isolation,anti-seismic regulation,design ideas

TU352.12

A

1009-6825(2011)09-0036-02

2010-12-05

刘昱彤(1981-),男,太原理工大学建工学院工程硕士研究生,工程师,山西省建筑设计研究院,山西太原 030001