巨型框架结构采用橡胶隔震系统的研究概述

张馨圆 王 宁 杨志年 葛楠

摘 要：实际工程中，巨型框架结构具有重心高、所受荷载大的特点，在地震作用下又主要承受水平力，我们在框架结构主次结构连接处设置橡胶支座，起到一定的隔震作用，对巨型框架结构采用橡胶隔震系统的研究也具有十分重要的工程应用价值。国内外学者对于巨型框架结构的隔震效果研究也做了一些工作，通过分析研究可知：在地震动作用下，巨型框架结构体系可以减小结构的地震反应。

关键词：巨型框架结构；橡胶支座；隔震

1 引言

我们的生活丰富多姿，衣食住行和以前相比都有了显著的提高，单从“住”来看，最开始人们居住的毛坯房，能遮风挡雨人们就很满足，随着时代的发展，到后来的砖瓦房，再到后来的钢筋混凝凝土大楼，人们的居住环境发生了翻天覆地的变化，现在办公大楼、娱乐场所各色各样、琳琅满目，它的发展也见证了我们思想文明的进步。每一次的自然灾害都给我们的生活财产安全造成了严重的危害，给我们以沉重的教训，如唐山地震、汶川地震等。从这些自然灾害中，人们逐渐积累经验教训，又随着教育事业的重视及发展，专业人才的不断增加，专业知识库的不断强大，使得建筑业得到了迅猛发展。

我国政治经济文化都得到了跨越式的发展，在这种大环境下巨型框架结构应运而生， 同时也得到了大家的广泛关注，随着社会城镇化趋势越来越显著，巨型框架结构也得到了广泛应用。巨型框架结构是一种复杂结构，不仅在结构设计方面还在力学性能分析方面都要显著于普通框架结构体系。就当前的研究状况来说，国内外的研究还都处于初级阶段，对巨型框架结构体系的研究具有深远意义。橡胶支座是结构体系中的主要隔震装置，它具有水平刚度较小、竖向承载力高、水平侧移容许值较大的特点，我们将这种橡胶支座加入到巨型框架结构中形成新的隔震基础，对这种新型隔震结构基础的研究具有十分重要的意义。

2 国内外研究现状

2.1 巨型框架结构体系研究现状

国内外研究学者对巨型框架结构体系做了很多的研究，理论研究方面比较有代表性的是：日本学者武藤清用具有等效变形的剪切、弯曲、轴向柱替换巨型柱，用具有等效变形作用的彎曲、剪切变形梁替换巨型梁，建立了一个分析模型，即用等效框架模型对刚框架结构体系进行弹塑性分析。

Pouangare等几位学者，将巨型框筒结构看成空间结构框筒，剪力、弯矩对它的影响又很小，与传统结构体系比较，矩形框筒结构优点就非常明显了，它可以降低造价，又能节约材料。

研究学者惠卓对巨型框架结构体系有着深入的研究，他依据相邻巨型梁之间的巨型柱在水平荷载作用时反弯点出现的位置及个数，将巨型框架结构体系分为两类。除此之外，他还提出了巨型框架结构体系在竖向荷载作用下的拆分原则，并推导相应的公式。

胡庆昌、张美励、孙金樨[2]等几位学者对钢筋混凝土巨型框架节点进行了深入研究，并进行相应试验分析。

袁广林、张宇峰、舒赣平[3]等几位学者对带有人字型节点的巨型框架结构或带有八字型节点的巨型框架结构模型进行了低周反复荷载的试验。

2.2 隔震结构体系研究现状

隔震结构就是在结构基础上增加了隔震支座，用来消耗地震时产生的能量，减小地震时结构的反应，保障结构安全。对隔震的研究历史悠久，最早在一百多年前就有文字记载了，当今社会，在建筑结构中增添隔震装置也是非常普遍。

早在20世纪70年代我国就开始了对隔震技术的研究。80年代以来，我们对隔震材料的研究越来越深入，对它的了解越来越深，取得了实质性的进展，隔震建筑的具体应用也证实了，它能够在不同程度上经受住地震的考验。

华北理工大学建筑工程学院的老师们也对隔震结构体系的抗震性能进行深入分析研究，其中苏幼坡、王兴国、葛楠等人对隔震结构体系的抗震性能和隔震效果的分析也取得了显著的成果。

3 橡胶支座

橡胶支座在隔震结构体系的研究得到了广泛的应用和发展，橡胶支座既可以单独应用于结构，也可以与其他结构相互联系组成联合体再使用，使其隔震效果更好。

橡胶支座的内部填充物有很多种，最常见的有补强剂、防老化剂等，橡胶支座的横向变形非常小。在橡胶支座层厚相同的前提下，单层厚度越小，橡胶支座所受的竖向刚度就越大。

橡胶支座的优点可以概括为：①橡胶支座的初始刚度很大，在受到水平荷载作用并且荷载较小时，橡胶支座可以很好的应用；②发生地震时，橡胶支座能够使结构的周期延长，有良好的隔震效果；③橡胶支座竖向刚度很大，可以承担竖向荷载作用；④橡胶支座具有良好的稳定性，且在受到力的作用时具有很好的自身复位功能；⑤橡胶支座简单易用，造价低。

常见的橡胶支座有天然橡胶支座和铅芯橡胶支座。天然橡胶具有高弹性的特点，多用于制作普通的橡胶支座；铅芯橡胶支座的最大特点就是在普通橡胶支座中心嵌入了相应直径大小的铅棒，因为铅棒的屈服强度较低，导致橡胶支座在受力后可以恢复，且能吸收更多的地震能，能产生很好的隔震效果。

4 总结

我们以巨型框架采用橡胶支座隔震系统为研究对象，首先画出系统的简化模型，利用拉格朗日方程建立隔震结构的运动方程，再使用MATLAB软件进行分析，我们向程序中输入不同的地震波，对输出的数据图形加以分析，得出结论：①在输入不同地震波的情况下，通过调整等效刚度系数和等效阻尼系数，就可以对结构起到隔震作用；②将不使用橡胶支座的巨型框架体系与使用橡胶支座的巨型框架体系进行分析比较，可以得知设置了橡胶支座的隔震系统的最大层间位移、最大楼层位移、最大楼层速度及最大楼层加速度都得到了显著减小，隔震效果非常明显

参考文献：

[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，苏幼坡，王兴国.建筑物滚动摩擦隔震理论[J].河北理工大学学报（自然科学版），2008（4）：132～136.

[3] 葛楠，苏幼坡，王兴国等.结构TMD控制及AMD最优控制减震效果计算研究[J].建筑科学，2017（33）：3+8～13.

[4] 葛楠，李凤鑫，王芳等.多点地震输入桥梁结构设置叠层橡胶隔震支座效果研究[J].工程抗震与加固改造，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] 吴彬.铅芯橡胶支座力学性能及其在桥梁工程中减、隔震应用的研究[M].北京：铁道科学研究院， 2003：31～36.

[7] 杜永峰，寇巍巍.高温下叠层橡胶支座的热力学分析[J].四川建筑科学研究，2010（6）：150～153.

基金项目：

河北省高等学校青年拔尖人才计划项目（BJ2018008）。

作者简介：

张馨圆（1989—），女，唐山乐亭人，助教，硕士研究生。