新型抗拉装置在大高宽比隔震结构设计中的应用

文／唐晔明 菏泽市规划建筑设计研究院有限公司 山东菏泽 274000

引言：

提高建筑工程的抗震能力具有重要意义，不仅可以减小地震对建筑工程的影响，也可以减少地震中的人员伤亡。而隔震技术是十分高效的减震措施，可有效提升建筑工程的抗震性能，在建筑工程中的应用十分广泛。但在高烈度区高层隔震结构设计中应用传统的隔震装置会出现支座拉应力超限等问题，为此需要将隔震支座与新型滑轨式抗拉装置结合起来，优化大高宽比隔震结构设计效果。

1、新型抗拉装置与隔震技术概述

1.1 新型抗拉装置

新型滑轨式抗拉装置主要是由上和下法兰板、抗拉构件以及导轨共同构成的（如图1所示），其中抗拉构件包括滑槽、限位器、T型倒扣以及下部连接件等部分，T型倒扣与限位器之间是相连的，滑槽与T型倒扣也是相连的[1]。在正常情况下，滑轨式抗拉装置可以自由向下移动，从而协调隔震支座出现的压缩变形情况。若滑轨式抗拉装置向上提拉且回归到初始位置时，限位器就会限制其位移，从而达到抗拉这一目的。同时，滑轨式抗拉装置的上导轨与下导轨是相互垂直的，且抗拉构件会沿着两个导轨滑动，不会对隔震结构的竖向减震性能以及水平减震性能产生影响。如果隔震层出现拉力，抗拉装置就会承担一部分拉力。

图1 新型滑轨式抗拉装置

1.2 隔震技术

地震是无法避免的自然灾害，而地震中产生的人员伤亡与经济损失主要是由建筑物倒塌造成的。为此，各个国家都十分注重建筑工程的抗震性能设计。隔震技术是常用的减震措施，有利于提升建筑工程的抗震性能。基础隔震技术指的是利用柔性连接的方式在建筑上部结构与地基之间设置隔震系统。近年来常用的隔震装置是隔震橡胶支座与弹性滑板支座，其中隔震橡胶支座主要是由钢板以及橡胶等材料制成的，在隔震结构设计中发挥着重要作用。但从实际情况来看，在高烈度区大高宽比隔震结构设计中应用隔震橡胶支座与弹性滑板支座会出现支座拉应力超限、滑板支座提离等问题[2]。为此，相关学者对抗拉装置进行了深入研究，提出了锁扣式抗拉装置、口型钢框架抗拉装置等想法。但这两种抗拉装置都存在一些不足，例如应用锁扣式抗拉装置时需要应用支座，而口型钢框架抗拉装置的初始间隙不符合要求。相比于这两种抗拉装置，新型滑轨式抗拉装置较为符合要求，因此需要深入研究该装置在大高宽比隔震结构设计中的应用。

2、新型抗拉装置的力学性能试验

2.1 力学性能试验装置

在大高宽比隔震结构设计中应用新型抗拉装置之前需要对抗拉装置进行力学性能试验检测。即设计人员需要对3组承载力为200t且水平行程为±385mm的滑轨式抗拉装置进行力学性能试验检测，并根据试验检测结果分析该装置是否符合隔震结构的设计要求。在试验过程中，设计人员需要利用 1000t压力试验机试验系统中的压力传感器测量抗拉装置的加载力并利用位移计测量抗拉装置的拉伸变形量。

2.2 力学性能试验检测结果

在完成力学性能试验检测后需要综合分析检测结果。在试验过程中，水平位移的设计值为≧±385mm、设计拉伸荷载的设计值为2000kN、设计拉伸位移的设计值为≤8mm、极限拉伸荷载的设计值为≧2400kN、极限拉伸位移的设计值为≤10mm。从试验结果来看，第一组抗拉装置的水平位移为±450mm、设计拉伸荷载为2001.3kN、设计拉伸位移为2.97mm、极限拉伸荷载为2402.6kN、极限拉伸荷载为4.11mm；第二组抗拉装置的水平位移为±450mm、设计拉伸荷载为2001.1kN、设计拉伸位移为3.10mm、极限拉伸荷载为2401.5kN、极限拉伸荷载为4.12mm；第三组抗拉装置的水平位移为±450mm、设计拉伸荷载为2001.5kN、设计拉伸位移为3.12mm、极限拉伸荷载为2403.1kN、极限拉伸荷载为4.25mm。所以每组抗拉装置的检测结果与设计值之间的偏差都在15%以内，且检测结果的偏差平均值在10%以内，这就说明这3组抗拉装置的力学性能都符合设计要求。其次，从抗拉装置的荷载-位移曲线以及30周疲劳曲线来看，在极限拉伸荷载作用的影响下抗拉装置不会出现十分明显的刚度退化情况，且构件仍然处于弹性状态中。但当拉伸荷载达到2800kN时抗拉装置会出现断裂的情况。

3、新型抗拉装置的简化模型与软件模拟情况

3.1 简化模型

设计人员需要根据滑轨式抗拉装置的力学性能试验检测结果设置抗拉装置的简化模型。从实际情况来看，在极限拉伸荷载的作用下抗拉装置不会出现屈服情况，所以设计人员可以对设计拉伸荷载作用下的抗拉装置进行弹性假定[3]。若设计人员利用K表示抗拉装置的弹性刚度，用F表示设计拉伸荷载并用Q表示抗拉装置的拉伸应变，公式（1）如下：

设计人员需要利用试验检测结果以及上述公式（1）计算抗拉装置的弹性线刚度。从计算结果来看，200t的抗拉装置弹性线刚度为666.67kN/mm。

3.2 软件模拟情况

设计人员需要利用软件模拟滑轨式抗拉装置并构建其力-位移模型（如图2所示）。从实际情况来看，该模型在模拟拉伸荷载作用下力-位移特性时会忽略抗拉装置自身的滞回耗能，且如果实际拉伸荷载大于设计值时需要将单元刚度定义为0[4]。需要将该单元在受压变形情况下的刚度设置为0从而模拟抗拉装置在结构重力作用下的初始缝隙。

图2 新型抗拉装置的力-位移模型

4、新型抗拉装置在隔震结构设计中的具体应用

4.1 隔震结构设计项目概况

在隔震结构设计中应用新型抗拉装置前需要全面分析隔震结构设计项目的情况。某高层隔震项目的抗震设防烈度为8度，一共有20层，其中地下1层、地上19层。同时，该项目应用了框架剪力墙结构，结构高度为63.2m、宽度为15.2m、高宽比为4.158，是典型的大高宽比隔震结构。

4.2 隔震支座的设置方案

在设计过程中，设计人员需要根据实际情况优化隔震支座的设置方案。（1）该高层隔震项目一共包括3个部分，其中一部分应用隔震技术与隔震沟。所以设计人员需要将隔震层设置在结构±0m并确保楼梯间与电梯井穿越隔震层至地下1层-9.95m处[5]。（2）楼梯间以及电梯井的荷载相对较大，无法应用吊挂这种方式，所以设计人员需要在楼梯间与电梯井下方设置隔震支座。且为了充分发挥不同标高处隔震支座的变形协调作用，设计人员应科学选择隔震支座。一般情况下，可以在电梯井底部设置水平刚度相对较小的弹性滑板支座以及天然橡胶支座。所以设计人员需要选择4个LRB900支座、8个LRB1100支座、15个LNR900支座、7个LNR1000支座、2个LNR1100支座以及2个ESB700支座。同时，设计人员应确保所选隔震支座的力学性能符合要求。例如，需要确保LRB900这种隔震支座的竖向刚度为3400kN/mm、等效水平刚度为2.17kN/mm、屈服前刚度为17.06kN/mm；LRB1100支座的竖向刚度为4400kN/mm、等效水平刚度为2.45kN/mm、屈服前刚度为18.51kN/mm；LNR900支座的竖向刚度为3200kN/mm、等效水平刚度为1.31kN/mm；LNR1000支座的竖向刚度为3800kN/mm、等效水平刚度为1.45kN/mm；LNR1100支座的竖向刚度为4100kN/mm、等效水平刚度为1.46kN/mm；ESB700支座的竖向刚度为11000kN/mm。（3）设计人员需要优化隔震支座的布置方式。例如，设计人员需要利用四周布置的方式设置隔震支座并在中间设置天然橡胶支座，从而使隔震支座的面压在15MPa以内且隔震层的偏心率在3%以内。

4.3 结构动力时程分析

设计人员需要利用有限元分析软件以及FNA法对隔震结构以及非隔震结构进行动力时程分析。在这一过程中需要利用Rubber isolator单元以及Gap单元对叠层橡胶支座进行并联模拟，利用Feiction isolator单元对弹性滑板支座进行模拟，从而准确反映隔震支座的拉压刚度异性特征。从前三阶周期的分析结果来看，非隔震结构的振型为1、2、3，周期为1.816s、1.741s、1.411s，X向累计质量参与系数为60%、62%、67%，Y向累计质量参与系数为1%、65%、65%。而隔震结构的振型为1、2、3，周期为3.679s、3.651s、3.000s，X向累计质量参与系数为88%、97%、98%，Y向累计质量参与系数为9%、98%、98%[6]。所以隔震结构的振型周期比非隔震结构延长1倍，且累计质量参与系数达到了98%。其次，设计人员需要利用软件筛选出两组人工波以及五组天然波，并使隔震结构与非隔震结构的主要周期点影响系数的平均值与反应谱的偏差在±20%以内，之后再进行分析。从分析结果来看，在时程工况与反应谱工况下结构基底剪力比值都符合要求。且与非隔震结构相比，隔震结构的底部剪力减小了50%以上，其中上部结构地震作用有所减小、层间剪力沿结构高度呈现均匀变化。此外，在提取罕遇地震下隔震支座拉压应力后，受拉支座主要集中在电梯井以及楼梯间的底部，其中有3个支座的拉应力在1MPa以上，且支座的最大拉应力为1.05MPa。同时，隔震层的最大位移为330mm，比橡胶层总厚度的3倍要小一些，也比最小支座直径的0.55倍小一些。

4.4 抗拉装置设置方案

该隔震结构设计项目中电梯井底部与楼梯间底部的橡胶支座存在拉应力超限等问题，所以设计人员需要在严重受拉支座的四周设置11套新型抗拉装置。在设置新型抗拉装置时，设计人员需要将抗拉装置的上法兰板与隔震层梁底连接在一起并将下法兰板与隔震层底板连接在一起。在设置新型抗拉装置之后，隔震支座的最大拉应力降低为了0.9MPa，隔震层的拉应力减小了10%，新型抗拉装置附近的隔震支座拉应力减小了20%左右[7]。在罕遇地震作用的影响下，新型抗拉装置的最大拉伸力为1357kN，比设计承载力小。在重力作用的影响下，隔震支座只会出现轴向压力。此外，只在电梯井与楼梯间的底部设置抗拉装置所以不会对隔震结构的动力特性产生较大影响，且应用新型抗拉装置之后隔震结构的隔震层位移以及减震系数都没有出现变化。

5、优化新型抗拉装置应用效果的策略

人们对新型抗拉装置的了解相对较少，所以若想优化新型抗拉装置的应用效果就需要加大推广力度与研究力度。

5.1 加大新型抗拉装置的推广力度

相比于传统的抗拉装置，新型抗拉装置更符合大高宽比隔震结构设计的要求，所以需要积极推广新型抗拉装置，增进设计人员对新型抗拉装置的了解。在推广过程中需要全面讲解新型抗拉装置的结构特点、应用方法以及应用原则，让设计人员充分了解如何在大高宽比隔震结构设计中应用新型抗拉装置。

5.2 加大对新型抗拉装置的研究力度

新型抗拉装置的结构较为复杂，所以若想充分发挥其在大高宽比隔震结构中的作用就需要深入研究新型抗拉装置。（1）设计人员需要全面分析新型抗拉装置的结构及各个部分的具体作用。例如，设计人员需要分析上部导轨、下部导轨、限位器、T型倒扣、滑槽等各个部分的具体作用。（2）设计人员需要深入研究新型抗拉装置的力学性能试验检测方法，准确判断新型抗拉装置的水平位移、设计拉伸荷载、设计拉伸位移、极限拉伸荷载、极限拉伸位移是否符合需求。（3）设计人员需要深入研究新型抗拉装置的设置原则。即应将新型抗拉装置设置在隔震层隔震支座存在拉应力超限的区域中；根据实际情况调整隔震支座的抗压刚度；在布置新型抗拉装置后需要准确计算隔震支座的拉应力并确保其拉应力在1MPa以内；确保隔震支座的极限位移在10倍屈服位移以内[8]。

5.3 加大人员培训力度

做好设计人员的培训工作可以提高新型抗拉装置的应用质量，所以需要通过理念培训、技术培训等方式提高设计人员的专业素养。（1）需要加大理念培训力度，帮助设计人员树立先进的隔震设计意识。在理念培训过程中可以多讲解进行隔震设计的必要性与重要性，提高设计人员对隔震设计的重视程度；讲解先进的隔震设计理念，让设计人员逐渐形成多元化的隔震设计意识；讲解先进的隔震设计方法，增进设计人员对新型抗拉装置等隔震手段的了解。（2）需要加大技术培训力度，提高设计人员应用新型抗拉装置的能力。例如，需要开展新型抗拉装置力学性能试验培训，让设计人员掌握新型抗拉装置力学性能检测的方法；开展新型抗拉装置选择培训，让设计人员学会根据隔震结构的设计要求选择合适的新型抗拉装置；开展新型抗拉装置设置培训，让设计人员掌握新型抗拉装置的优化设置方法。

5.4 加大应用控制力度

在隔震结构设计中应用新型抗拉装置时需要做好控制工作，提高新型抗拉装置的应用质量。（1）需要严格控制新型抗拉装置的弹性刚度。设计人员需要根据抗拉装置的轴向刚度以及受弯部件的弯曲刚度计算新型抗拉装置的弹性刚度。（2）需要严格控制抗拉装置的屈服力以及屈服位移。在设计过程中设计人员应根据屈服强度最小的部件计算抗拉装置的屈服力以及屈服位移。（3）需要严格控制抗拉装置的力学参数。受力状态会对新型抗拉装置的力学参数产生一定影响，例如在双偏心状态下新型抗拉装置的屈服前弹性刚度最大且屈服力最小。为此，设计人员需要科学控制新型抗拉装置的受力状态与力学参数。第四，需要严格控制抗拉装置的布置方式。设计人员需要根据隔震支座以及隔震层的实际情况选择合适的布置方式，增强新型抗拉装置布置的科学性。

结语：

提高建筑工程的抗震性能具有重要意义，而在隔震结构设计中，灵活应用新型滑轨式抗拉装置可有效解决隔震支座拉应力超限等问题，因此设计人员需要提高对新型抗拉装置的重视程度，对抗拉装置进行力学试验检测并根据测试结果设置装置的简化模型。在应用新型抗拉装置时也需要优化装置设置方案，从而在优化减震效果的同时减小支座拉应力。