带新型抗风拉索高层隔震结构抗风与隔震性能探究

王思琪

摘 要：本文主要是提出一种由灰铸铁与钢丝绳组成的新型串联型抗风拉索。该种结构可有效运用于高层防震结构中，不仅对风荷载作用下的橡胶支座抗风能力进行有效提升，同时还可实现铅芯橡胶支座数量的有效减少。抗风拉索退出工作的现象长期存在于地震作用力下，上述技术可实现对等效水平刚度的有效减少，最终实现隔震层与抗风性能协调的目标。这不仅对高层隔震结构的建设有促进作用，同时对社会经济发展有重要意义。

关键词：高层隔震结构；抗风拉索；抗风性能；隔震性能

在实际对隔震结构隔震层进行布置时，多数方法是通过增加铅芯橡胶记支座等方法来实现，这不仅对相关技术要求进行满足，同时可对抵抗风荷载的力量进行有效加大。从风雅压较大的地区高层隔震结构角度来说，在实际进行抗风设计时不仅要加大铅芯橡胶支座的抗风承载力，还要对隔震支座水平高度以及减震系数设计目标进行有效减少，这两者之间存在一定的矛盾。为对上述现象进行解决，部分学者提出全新的技术与抗风装置，这对有效的解决高层隔震结构以及抗风稳定性的矛盾有促进作用。

一、新型串联型抗风拉索的工作原理及构造

新型的串联型抗风拉索装置是在提高抗风承载力与铅芯叠层橡胶支座的基础上进行，灰铸铁以及钢丝层是其重要组成部分，主要运用串联的方式对上述材料进行结构连接。三段式串联组装的抗风拉锁装置不仅可以有效解决抗风稳定性问题，还可实现对刚度需求的有效满足。柔软性是纲丝绳轴向的显著特征与缺陷，因此并不能实现对压力的有效承受。在实际进行工作时，只能向轴周传递拉力，这对受拉性能进行直观体现。刚度较强是灰铸铁的显著优势也与特征，同时其具有非常高的抗压强度，但抗拉强度却存在一定的缺陷。在实际进行连接时我们采取的是串联的方式，所以灰铸铁构件只能实现对其抗拉性能的有效体现，但抗压强度会受到一定的破坏。我们将两种材料的力学特性以及串联连接进行综合分析，得出的结果表示新型抗风拉索轴向受力体现为单纯受拉特性。

从风荷载作用力角度来看，抗风拉索协同铅芯橡胶支座的抗风承载力是在减少铅芯橡胶支座数量的基础上实现，同时抗风拉索的拉力小于其强度，可长时间的保持弹性工作。这是铅芯橡胶支座减少的有效作用。在遇到地震作用力的情况下，灰铸铁中向拉力会呈现出一个极限状态，最终导致串联体系断开连接，抗风拉锁不能实现继续工作。为在真正意义上实现整个高层隔震结构的隔振性能提高，必须隔震层的等效水平高刚度有效减少，同时保持隔震支座对隔振性能的有效发挥。

二、工程概况和隔震结构分析模型

1.工程概况

该高层结构为新疆喀什地区的某办公楼，结构形式采用框架-剪力墙结构，建筑类别为丙类建筑，建筑总高度74m，地上28层（包括隔震层）。隔震层层高1.6m，1、2层层高5.5m，3～26层层高2.9m，27层层高4.5m。结构设计使用年限为50年，主要设计依据：

（1）场地土为中硬场地土，场地类别Ⅱ类，设计地震分组第三组；

（2）基本风压按50年一遇采用，取0.55kN/m2，地面粗糙度B类；

（3）区域抗震基本烈度8度，设计基本地震加速度0.3g。隔震目标：拟通过采用隔震技术，使结构在当地抗震设防烈度（8度（0.3g））下，上部结构的抗震构造措施降低1度（7度（0.15g））设计，即使隔震后的水平向减震系数β≤0.4。

2.隔震结构分析模型

采用ETABS对该高层隔震建筑进行有限元建模，上部结构采用弹性模型和刚性隔板假定，取地下室顶部为嵌固端，梁和柱采用框架单元，墙采用壳单元，楼板采用膜单元，隔震支座考虑拉压刚度不等，采用Isolator1和Gap单元并联方式模拟拉压刚度非线性，隔震支座竖向拉压刚度比取值为1/7。

三、带抗风拉索高层隔震结构风荷载作用和地震作用反应分析

由于进行隔震设计后的结构基本周期的延长主要依赖于隔震层具有较小的等效水平刚度，一般认为水平刚度越小，隔震性能越好。隔震方案1的有可能满足减震系数β≤0.4的设计目标，但有限元软件ETABS的隔震分析结果显示，这个方案按弹性计算所得的楼层剪力减震系数（7条地震波计算的平均值）的最大比值出现在Y向地震波作用下的14层，具体比值为0.406>0.4；而楼层倾覆力矩减震系数（7条地震波计算的平均值）的最大比值出现在Y向地震波作用下的3层，具体比值为0.430>0.4。

在隔震方案的最初设计阶段，只依赖铅芯橡胶支座提供抗风承载力，使隔震层的等效水平刚度最小的隔震方案1也不能达到减震系数β≤0.4的设计目标。产生这种矛盾的主要原因是在于在高风压高层结构的隔震设计中，出于隔震层抗风承载力的设计要求，需要大量的铅芯橡胶支座来提供抗风承载力，而铅芯橡胶支座的Keq（水平剪切应变100%时的等效水平刚度）往往比较大，会很大程度地影响隔震结构的整体隔震效果，使得隔震方案设计要满足目标减震系数成为了问题。

为了实现抗风拉索在风荷载作用下抗风、地震作用下达到抗拉极限承载力而拉断退出工作，抗风拉索的抗拉极限承载力设计需要满足下式：γWVW

由于抗風拉索中铸铁构件属于强度较低的部分，而钢丝绳的公称抗拉强度一般可以达到1570～1960MPa的量级，在串联系统中，当组成系统的任意单元失效，则系统就失去设计的功能。选取牌号为HT350的灰铸铁的屈服强度和抗拉强度作为串联体系抗风拉索的屈服强度和抗拉强度，钢丝绳的主要作用为连接与传递轴向拉力，钢丝绳选取6×19S+IWR型。

四、结论

通过对分别设置了WRC+ISO抗风方案和ISO抗风方案的高层隔震结构进行风荷载作用下与水平地震作用下的对比分析，可以得出新型串联型抗风拉索具有以下工作性能特点：

（1）风荷载作用时，协助铅芯橡胶支座提供抗风承载力，从而减少铅芯支座个数；地震作用时，拉索退出工作，减小隔震层水平等效刚度，有利于进一步延长高层隔震结构周期、优化隔震效果、降低减震系数。

（2）风荷载作用下，抗风拉索拉力远小于极限拉力设计值，抗风拉索抵抗水平风荷载具有足够的安全储备；多遇地震作用下，抗风拉索在每条地震波作用下的拉力响应包络值远大于其极限拉力，保证多遇地震或以上强度地震作用下风拉索拉断而退出工作的机制。

参考文献：

[1] 农国畅.隔震结构的抗风分析与等效风荷载[D].哈尔滨工业大学，2011.

[2] 陈乐华.高层隔震建筑抗震及抗风研究[J].商品与质量？学术观察，2012（7）：51-51.

[3] 胡宝庆.高层建筑分段隔震结构抗风抗震的减震分析[D].兰州理工大学，2013.

[4] 李宏描，周颖.黏滞阻尼器伸臂桁架布置对超高层结构减震性能影响研究[J].结构工程师，2015，31（3）：63-68.