结构工程竖向隔震技术研究进展--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

结构工程竖向隔震技术研究进展

发表时间：2020/6/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：周岩

[导读] 摘要：为进一步推动竖向隔震技术在结构工程中的应用,对国内外竖向隔震技术的研究进展进行了详细阐述。

        身份证号码：13032319900710xxxx
        摘要：为进一步推动竖向隔震技术在结构工程中的应用,对国内外竖向隔震技术的研究进展进行了详细阐述。从耗能材料、构造形式、隔震机理等方面对结构工程竖向隔震技术进行分类汇总，介绍了橡胶竖向隔震支座、弹簧竖向隔震支座、气压及液压竖向隔震支座等典型隔震技术与一些新型隔震技术，并对其起源发展、几何构造、隔震性能、改进优化及优点缺点进行总结和综合比较。
        关键词：结构工程；竖向隔震；隔震技术；隔震支座
        隔震是指通过使用某种类型的支座来保护结构免受地震破坏性影响的概念，从而实现上部结构运动与地面震动“解耦”，这一概念在近几个世纪的工程设计中得到广泛的应用[2]。隔震结构的设计目的在于将基础与上部结构隔断，通过在基础与上部结构间设置隔震支座，利用隔震支座自身特性减小地震对上部结构的作用，并且隔震支座可有效调节结构自振周期，避开地震地面运动的主频带范围，减小共振效应，避免上部结构发生破坏。
        然而，实际地震动不仅包含水平地震动分量，还包含竖向地震动分量。以往结构设计中通常不考虑竖向隔震的原因在于：①认为竖向地震动分量强度较小，相比于水平地震动效应可忽略；②认为结构竖向构件留有一定承载富裕度，承载力安全系数较高。然而从中国汶川地震、唐山地震、台湾集集地震、日本阪神地震、美国山谷地震、前苏联格兹里地震等国内外近年发生的(特)大地震中获得的地震时程记录和震害数据表明：在高烈度地震区，尤其在近断层地震区，地震动的竖向作用分量往往较为强烈，甚至可能超过水平地震作用分量，成为导致结构倒塌破坏的主导因素。
        鉴于此，近几十年来国内外学者对竖向隔震支座做了大量的理论分析及试验研究，取得一定的成果，为隔震支座的发展及其在实际工程中的应用提供了重要参考价值，并且进一步将竖向隔震支座与水平隔震支座串联或并联即可实现三维隔震。本文通过整理国内外文献并进行分析，总结结构工程领域中竖向隔震技术的研究进展，为竖向隔震技术及三维隔震技术的后续研究提供一定的参考。
        1 橡胶竖向隔震支座
        橡胶竖向隔震支座指利用橡胶垫与其他刚性材料组合承担上部荷载并耗散能量，橡胶的竖向阻尼及非线性恢复力将延长结构自振周期，以实现隔震的目的。当支座水平位移超过筒壁间隙时，荷载-位移关系表现为非线性，圆筒能有效起约束作用，同时可以看出这类支座竖向耗能性能较差。
        2气压及液压竖向隔震支座
        气压及油压支座是指在密闭容器中加入压力空气或液体等流体介质，利用空气或液体的非线性回复力提供阻尼耗散能量，并且通过刚度调整增大上部结构自振周期使其偏离地震动卓越周期，实现隔震效果，其中气压支座也称空气弹簧。目前，气压及油压等流体介质隔震支座在日本及美国等国家已取得一定的研究成果，并且已成功在实际工程中应用。在中国，空气弹簧在机械装置的隔振中已
        3 其他竖向隔震支座
        针对已有隔震支座存在的问题，如橡胶支座侧向刚度较小、稳定性差，气压油压隔震装置对密封技术要求较高，弹簧支座在重力作用下静力平衡变形量过大等，有学者提出其他类型竖向隔震技术。
        对于一些高层建筑，一种“大开间高底层”的方案曾被国内外学者广泛接受，利用高底层的竖向变形提供耗能，实现隔震的目的。为进一步寻求减轻地震作用对上部结构的影响，有学者提出“软底层方案”，即通过控制建筑底层柱在地震中发生屈服甚至屈曲，从而实现竖向隔震耗能，但是此类无任何保护措施的“软底层方案”由于柱子发生塑性失稳最终不可避免地导致结构倒塌，因此普通“软底层方案”不是一种降低地震加速度的好方法。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

“柔性桩方案”(图23)对“软底层方案”作了以下改进：①利用柔性端承桩屈曲耗能，桩身发生弯曲变形达到桩身与套筒之间的预留间隙后，外套筒约束桩身发生进一步弯曲变形；②桩顶设置合适类型的阻尼器，更好地达到隔震的目的；③桩承基础与地基之间预留合适的间隙实现“缓冲着陆”。
        4竖向隔震技术现有研究不足及展望
        (1)橡胶垫竖向隔震支座加工简单、性能稳定、造价较低，但是竖向抗拉能力较差，在地震动产生倾覆弯矩时支座极易失效，稳定性较差。不仅如此，橡胶垫竖向耗能能力较低，竖向隔震性能有限，需通过借助外部阻尼达到耗能效果。
        (2)弹簧竖向隔震支座是目前运用最为广泛的一类隔震支座，该支座通过弹簧的竖向变形及碟形弹簧片间摩擦提供竖向阻尼及耗能，其性能较为稳定，且碟形弹簧由于其构造特点可按需要进行各种组合，实现模块化装配与更换。为大幅度提高结构自振周期以使其偏离地震卓越周期，弹簧支座往往刚度较小，使得其在重力作用下的静力平衡变形量过大，使用效率较低。
        近年来有学者提出根据“负刚度理论”及“准零刚度理论”设计得到的弹簧支座模型，此类支座具有较高的静态刚度和接近于0的动态刚度，能同时满足正常使用状态及隔震要求，是今后结构工程竖向隔震技术发展的一大方向。
        (3)气压及液压竖向隔震支座利用流体介质的非线性力提供阻尼，性能优异，但是对密封缸的密闭性要求较高，造价昂贵且维修难度大。此类支座适用于较为重要的建筑设施，而对于一般的建筑设施不具有实用性。
        (4)部分构造的竖向隔震支座仅停留在理论及试验研究阶段，由于其构造复杂，造价较高，目前难以应用于实际工程中。
        5 展望
        (1)对于建筑结构，正常使用状态及地震作用阶段对竖向刚度、阻尼等指标的要求并不一致，为实现竖向隔震的目的，同时保证建筑的正常使用功能，隔震支座的下一阶段研究目标可朝着主动智能控制的方向发展，只有当传感器检测到地震波时，竖向隔震支座工作启动。
        (2)针对中国广大乡镇建筑“小震致灾”甚至“小震大灾”的特点，尤其在高烈度地震区及近断层地震区，为提高广大乡镇建筑抗震性能，亟待研发一种造价低廉、构造简单的结构工程竖向隔震支座。
        (3)目前竖向隔震技术在大跨度建筑、高层建筑等结构中已经有了一定的研究成果，但是对于长悬臂结构竖向隔震的研究仍不够充分。今后的研究中将进一步完善长悬臂结构隔震设计的理论体系及构造措施。
        (4)建筑物需同时满足水平隔震及竖向隔震的需求，因此当调节隔震装置的竖向刚度及阻尼性能时应不影响其水平隔震的力学性能及隔震效率，反之亦然。因此，研发实用有效的三维隔震支座是隔震技术今后发展的一大挑战与方向。
        6 结语
        在上部结构和基础之间设置隔震支座是提升建筑抗震性能的有效途径，本文总结了国内外现有竖向隔震支座的隔震机理、发展现状及存在的问题，并在文献总结基础上提出展望。如何平衡地震作用下的隔震效果及正常使用状态下的性能要求，将竖向隔震技术有效利用在长悬臂结构，研发有效的三维隔震装置等也是支座构造进一步优化的方向。另外，降低支座成本、简化支座构造也是推广竖向隔震技术的重要途径。通过对竖向隔震技术的总结和展望，为竖向隔震技术的发展及其在实际工程中的应用提供参考。
        参考文献：
        [1] 薛东升.大跨隔震结构多维地震响应有限元模拟[J].南京工业大学学报:自然科学版,2017,39(4):131-137,142.