近断层基础隔震结构软碰撞限位装置研究

周 杨 张亮泉 毛晨曦

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.中国地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

自然界之中所发生的地震具有极强的破坏性以及发生时间短暂的特点。通常情况之下所发生的较大地震往往会造成地面建筑物的大规模性的破坏，从而造成地面的交通以及通讯等设施出现中断。因此在这种情况之下所诞生的隔震技术在地震方面优秀的表现得到了社会界上的肯定性认可。通常情况之下在地震的作用之下就会造成隔震层发生相应的位移性变换，此时在上部的结构所产生的加速度在相对应的情况之下减弱1/5～1/3。可以使结构满足“大震不坏”或只发生轻微破坏，从而保证人员安全，降低经济损失。

1 隔震限位装置国内与国外现状

1.1 隔震限位装置国外的研究现状

通过对近些年的所发生的大地震当中，无论是给自然界还是给地面的建筑物、桥梁以及人员等造成了重大的损失伤害。在这些地震中，破坏最严重的都是近断层地震，因为其有着跟普通地震不同的特征[1]。在谢礼立[2]相关的研究过程中明确的得出，在近断层所发生的地震当中会受到长周期性的脉冲的作用，在这种情况之下就会造成隔震结构这种类型结构出现负面性影响。通过大量的分析，对近断层地震下的隔震方案的设计提出了建议，具有实用价值，并提出了保护方案。

1.2 隔震限位装置国内的研究现状

在近些年的发展过程当中，我国先进的隔震技术得到了越来越广泛的应用，它能够在小震过程中做到减震作用，但是如果出现在近断层地段，此时就造成隔震结构出现一定的损害。在本文之中所探索的主要是如何才能够保护隔震结构并且做出相应的方案——软碰撞限位方案。这种方案是指当出现较大的地震又或者出现近断层地震的时候，此时的隔震层在地震环境之下就会与限位装置发生相对应的摩擦碰撞，此种方式能够有效的保障隔震结构以及上部结构之间相互的安全和使用性能。软碰撞限位器主要参数有:预留距离d，限位器刚度k和限位器阻尼c。

韩淼[3]在其文献之中第一次提出了关于对隔震层设置缓冲限位装置作为第二道防线的隔震保护措施，并给出了左、右产生碰撞时的动力方程和计算机分析程序，并提出了如何选取缓冲限位器的方法。李仙华[4]则是主要从能量的角度方面进行分析最终得出了粘弹性缓冲限位器所产生的对结构地震的影响，并且与此同时还提出了相应的通过采取增大阻尼以及减小相互之间所预留的距离手段和对限位器的刚度进行增加的方式，最终方便结构输入能的减小等。王秀梅[5]在试验的过程当中通过设计了三种相关的限位组合方式，并且进一步的将基础隔震模型实施了相关的振动台方面的实验，从实验的结果当中得出了软碰撞限位方案能够有效的将发生地震时所产生的隔震层位移限定在一定的范围之内，同时，增大了结构上层反应。

还有很多学者对于限位装置做了研究，提出了一些限位方案。从而能够使得我国在隔震方面得到了较为长期性的进步与发展，在当前的情况之下我国现如今已经采取了相应的隔震结构措施。以唐家祥[6]、周锡元[7]等众多在隔震方面做出较大贡献的较为优秀学者当中，时常性的举行面谈关于进一步的发展隔震技术进行了深入性的探究，并且通过一次次的理论讨论与实践相互结合的方式进行探究之后，最终形成我国隔震设计的基础。

2 基础隔震结构限位装置的原理

当出现近断层地震情况，这种情况之下基础隔震结构所遭受影响的位移会比远震的要大，并且在这种情况之下此时还会造成结构方面侧倾以及失稳等。软碰撞限位器主要参数有:预留距离d，限位器刚度k及限位器阻尼c。消能限位装置的特点是限位装置随隔震层的变形而变形，通过变形耗能，从而将结构位移限制在要求的范围内。但其增加的隔震结构的初始刚度，使得地震过程中隔震层的剪力明显增大，隔震结构的隔震效果持续减弱，对结构产生比较明显的不利影响。

固定限位装置是指在距离建筑物隔震层一定距离的地方安装限制位移增加的构件，在受到大地震的时候，结构通常是不会和限位装置接触的，从而保证了结构在地震下的隔震效果。然而当地震较大时，结构位移也随之增大，隔震装置会与限位器发生接触。在这种情况之下的限位装置所产生的变形以及阻尼等就会与隔震装置相互的结合在一起，此时在地震作用之下就会使得与隔震层一起变形，最终能够确保隔震结构具有安全性能。

3 隔震结构限位装置分析方法

在现如今的发展阶段之中，每一个国家就关于抗震方面相关的设计过程当中都是将地震反应谱法作为一种最为基础性的方法。反应谱法则主要是将结构动力与地震的动特性等相互的结合在一起，并且以统计分析作为基础，从而能够得出不同类型的地震波。其具有运动性强，操作简单等特点。

4 隔震结构限位装置设计方法

在《抗震规范》的相关的概念之中尤为重视隔震结构方面相关的设计工作，并且此时会比普通类型的结构设计更加的重视，在对其进行计算的时候一般采取的都是时程分析方法对其进行计算分析。但对于一些较特殊的上部结构，比如框架结构及一些砌体结构，可利用简化分析法来计算。

在隔震结构当中所产生的效果是与水平方向方面的刚度有相当的关系，如果在此情况之下想要获得更好的隔震性效果，就需要将所受到影响的水平方向的刚度尽可能取小，但是在这种情况之下就会造成水平方向发生较大的位移。因此当我们在对隔震方面进行相关设计的过程时就需要将这两者之间相互的制约性充分的考虑进去，并且在此情况之下不仅仅要完成上部结构方面的减震，还需要保障隔震层所发生的位移不能够超过较大的范围之内。因此在对隔震层进行设计的过程当中就需要对水平减震系数以及隔震层位移系数等两个方面的参数进行相应的设置。影响限位器参数的有三个，预留距离d、限位器刚度k及限位阻尼c。这三个参数的配置，将直接影响到限位装置的自身性能及软碰撞限位效果。

5 结语

在经过对软碰撞限位方案进行深层次的研究之后得出：

1)软碰撞限位是通过一定的预留距离的软碰撞来实现隔震结构限位的，主要采取的方式则是通过对上部结构地震响应进行相应的增加最终对隔震层的位移产生影响使得其产生较小的位移现象。2)软碰撞限位是在一定预留距离下添加的限位器，并不影响原结构初始的隔震性能。3)根据地震波的特点不同，限位所需要的软碰撞刚度或粘滞阻尼各不相同，当限位距离相同时，地震波应考虑装置刚度和粘滞阻尼。4)软碰撞限位与阻尼限位的构造和性能不同，通过两者结合使用，提高隔震结构的限位性能，降低限位方案的成本。5)以往的方法都是在水平方向增加限位装置，是否可以通过实验设计从水平方向和竖直方向均增加约束，减少隔震层的水平位移。

[1] 叶 昆,李 黎.LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的动力响应研究[J].工程抗震与加固改造,2009,31(2):32-38,42.

[2] 谢礼立.地震动反应谱的长周期特性[J].地震工程与工程振动,1990(1):1-20.

[3] 韩 淼.建筑隔震体系与机构的设计分析方法及工程应用[J].国际地震动态,2000(10):14-16.

[4] 李仙华，韩 淼.基础隔震层软碰撞限位实验研究[J].工程力学,2008(S1):124-128.

[5] 王秀梅，韩 淼.基础隔震层软碰撞限位试验研究[J].工程抗震与加固改造,2005(3):70-72,29.

[6] 唐家祥.建筑隔震与消能减震设计[J].建筑科学,2002(1):21-27,44.

[7] 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(2):2-12,26.