王 晴 晴

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

我國基礎(chǔ)滑移隔震的發(fā)展與研究

王 晴 晴

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

簡要介紹了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的概念，從理論研究與試驗(yàn)研究兩個方面對國內(nèi)基礎(chǔ)滑移隔震的發(fā)展與研究做了綜合論述，并對以后國內(nèi)滑移隔震技術(shù)的研究進(jìn)行了展望，有利于促進(jìn)滑移隔震技術(shù)的發(fā)展。

摩擦滑移隔震，理論研究，試驗(yàn)研究，結(jié)構(gòu)

0 引言

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)由上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置及下部結(jié)構(gòu)三部分構(gòu)成，隔震原理如圖1所示。在建筑的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震裝置形成隔震層，使上部結(jié)構(gòu)和地震動的水平成分相絕緣，延長自振周期，增加結(jié)構(gòu)阻尼，減少建筑結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)，而結(jié)構(gòu)的位移則主要集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)相對位移很小，結(jié)構(gòu)整體基本處于安全的彈性狀態(tài)，建筑物不會破壞或倒塌。

1 摩擦滑移隔震系統(tǒng)的研究概況

摩擦滑移隔震系統(tǒng)主要包括滑移支承元件和限位消能元件兩部分。滑移支承元件除了承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的全部重量，并承受上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的相對水平位移，還延長了建筑結(jié)構(gòu)物的自振周期，從而有效的降低建筑結(jié)構(gòu)的地震動反應(yīng)?；浦С性窃谀Σ粱聘粽痼w系中起關(guān)鍵作用的重要裝置，而限位裝置只負(fù)責(zé)提供水平恢復(fù)力?；聘粽痼w系徹底克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)“硬抗”式的抗震方法。

基礎(chǔ)滑移隔震的概念最早是在1881年由日本的河合浩藏提出的，他的設(shè)想是，先在地基上縱橫交錯放置幾層圓木，再在圓木上澆筑混凝土作基礎(chǔ)，最后在混凝土基礎(chǔ)上蓋房，以此來降低地震能量向建筑物的傳遞[1]。

我國對隔震技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)80年代。在1976年唐山大地震中，受地震災(zāi)害較輕的是那些鋼筋混凝土框架與基礎(chǔ)不相連的房屋建筑，李立從這種現(xiàn)象中得到了啟發(fā)，提出砂墊層隔震的方法，就是在地基與底部圈梁之間墊一層篩選過的砂，在地震發(fā)生時，可以使上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的相對滑動，限制地基向上部結(jié)構(gòu)傳力。這是我國最早的有關(guān)滑移隔震的理論。隨后，滑移隔震技術(shù)的研究在我國廣泛開展。

1.1 理論研究

1980年，冶金部建筑科學(xué)研究總院的劉德馨、李立與清華大學(xué)的陳聃教授都提出了滑動摩擦隔震系統(tǒng)的分析模型和非線性反應(yīng)譜[2]。熊仲明[3，4]通過對多自由度滑移隔震結(jié)構(gòu)的等代模型的分析，提出了滑移隔震結(jié)構(gòu)能量分析的簡化計(jì)算方法。

樊劍對滑移隔震結(jié)構(gòu)的動力特性及地震反應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了連續(xù)性指數(shù)摩擦力模型，對隔震性能的各種影響因素進(jìn)行了分析。東南大學(xué)的毛利軍、李愛群研究了基于STATEFLOW和SIMULINK的基礎(chǔ)滑移隔震系統(tǒng)的仿真非線性分析，提出了基礎(chǔ)滑移隔震的結(jié)構(gòu)基本體系和振型分解反應(yīng)譜法。

由于摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)在地震動的作用下將產(chǎn)生位移殘余，在大震、余震或多次地震作用下，結(jié)構(gòu)可能會與基坑相互碰撞，樊劍建立了滑移隔震結(jié)構(gòu)與基坑相互碰撞的運(yùn)動方程，分析了各主要因素對運(yùn)動的影響。河南科技大學(xué)的侯中華對純摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)體系的地震動反應(yīng)和位移進(jìn)行了分析研究，在建立了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)方程的基礎(chǔ)之上，分析了純摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)體系中摩擦因數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)隔震效果的影響。

華中科技大學(xué)的魏俊杰分析在近斷層地震作用下摩擦滑移隔震體系的動力響應(yīng)。江宜城對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和多層框架隔震結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)行了研究，建立了地震作用下多層框架隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的運(yùn)動方程，計(jì)算了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)模型不同偏心的地震反應(yīng),對存在扭轉(zhuǎn)變形的建筑結(jié)構(gòu)來說,隨著偏心的增大，結(jié)構(gòu)模型的扭轉(zhuǎn)變形也增大。李宏男研究了結(jié)構(gòu)偏心對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，探討了上部結(jié)構(gòu)偏心、隔震層偏心、場地條件等因素對于隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，提出了計(jì)算偏心隔震結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動方向地震作用的簡化計(jì)算公式，為計(jì)算偏心隔震結(jié)構(gòu)的地震作用提供了簡便、快捷和準(zhǔn)確的方法。王建強(qiáng)等對多層基礎(chǔ)滑移摩擦隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在水平雙向地震作用下的平—扭耦聯(lián)地震反應(yīng)分析，研究了上部結(jié)構(gòu)的偏心、抗扭剛度和隔震層的偏心、抗扭剛度對建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的影響。

熊仲明就多層房屋滑動抗傾覆穩(wěn)定性的判定條件進(jìn)行了討論，提出了多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)隔震體系的自身穩(wěn)定條件。王偉剛在考慮動力影響的情況下研究了隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆問題，分析了隔震結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的受力狀態(tài)和影響隔震結(jié)構(gòu)傾覆的條件。李宏男采用Newmark-β法，研究了場地條件、上部結(jié)構(gòu)剛度、隔震層剛度、橡膠墊設(shè)置方式、豎向地震動以及地震動峰值等因素對隔震結(jié)構(gòu)高寬比限值的影響。杜永峰對雙向地震激勵下和近斷層脈沖型地震動下的隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆特性進(jìn)行了數(shù)值分析和研究。

以上是近幾年來我國地震工作者對滑移隔震體系所進(jìn)行的理論方面的研究。

1.2 試驗(yàn)研究

磚混結(jié)構(gòu)在我國民用建筑中廣泛地被使用，但這種結(jié)構(gòu)的抗震能力較差，為此，韋定國采用基底滑移隔震的方法，以磚混結(jié)構(gòu)為研究對象，對無特殊構(gòu)造措施的大開間模型磚房進(jìn)行地震振動臺試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)果表明，采用基底滑移隔震措施能大幅度的減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，且選擇滑移材料時，須綜合考慮隔震期望與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。東南大學(xué)的張文芳對九層磚混滑移隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動臺模擬試驗(yàn)研究，并與非隔震結(jié)構(gòu)作比較，歸納總結(jié)了基礎(chǔ)滑移隔震砌體房屋結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)方法。

榮強(qiáng)等通過滑移隔震支座的模擬試驗(yàn)，探討了靜、動摩擦系數(shù)的變化趨勢以及滑動摩擦系數(shù)的各項(xiàng)影響因素，對滑移隔震支座的恢復(fù)力特性做了研究。姚謙峰對滑移隔震結(jié)構(gòu)的振動特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并分析了上部結(jié)構(gòu)偏心距和隔震系統(tǒng)偏心距對滑移隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明，隔震技術(shù)可以大大的降低隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

目前，許多學(xué)者致力于新型滑移隔震體系以及新型隔震材料和限位裝置的研究。張文芳等以滿足各種參數(shù)配置及工程應(yīng)用要求為目的，設(shè)計(jì)了一種新型的全密封鎖位型摩擦阻尼隔震支座。曹萬林等提出了一種適用于農(nóng)村的新型基礎(chǔ)滑移隔震的砌體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)工作可靠，可顯著減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用。熊仲明等用聚四氟乙烯—鋼板作滑移支承元件，以軟鋼U形帶片為限位消能元件提出了一種適用于框架結(jié)構(gòu)的新型滑移隔震體系，克服了傳統(tǒng)的滑移隔震限位裝置容易增加上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的缺陷。

砂墊層是目前國內(nèi)最經(jīng)常采用的一種滑移隔震墊層材料。竇遠(yuǎn)明通過砂墊層隔震性能的振動臺試驗(yàn)研究，證實(shí)隨著砂墊層密實(shí)度的增加，減振效果有所減小。輸入El-Centro波時，隨著砂墊層厚度的增加，結(jié)構(gòu)減振效果逐漸增強(qiáng)。趙少偉也在振動臺試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，單一粒徑的隔震效果比連續(xù)級配的隔振效果要好，無論何種粒徑，隨著隔震墊層厚度的增加，結(jié)構(gòu)減振率有所增加。但采用砂墊層后，建筑物的地震反應(yīng)并不能消除，仍對建筑物產(chǎn)生影響，且砂墊層沒有復(fù)位功能，地震后殘余位移量較大。由于橡膠具有較好的彈性性能和抗疲勞性能，在此基礎(chǔ)上，尚守平提出將橡膠粒作為一種隔震材料，并對橡膠顆?！盎旌衔锏膭蛹羟心Ａ窟M(jìn)行了試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，橡膠顆粒的加入可以有效地降低砂—橡膠顆?；旌喜牧系膭蛹羟心Ａ?。

2 問題與展望

我國對基礎(chǔ)摩擦滑移隔震技術(shù)做了較多的理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究，證實(shí)了滑移隔震技術(shù)的有效性，但仍存在需要解決的問題。

現(xiàn)有的隔震裝置有的造價過高，不利于在實(shí)際應(yīng)用中的推廣，需研發(fā)新型的造價低廉的滑移隔震裝置。如何將隔震性能優(yōu)良的隔震技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程中，也是目前亟需解決的重要問題。

砂與橡膠?；旌细粽饓|層作為一種造價低、隔振效果良好的隔震裝置，值得深入探討。為使隔振效果最優(yōu)，混合隔震墊層中砂與橡膠粒的配合比應(yīng)為多少，還有隔震墊層的厚度問題也值得研究。

另外，在我國河南、新疆、云南、山西、陜西等地已經(jīng)相繼建成滑移隔震試點(diǎn)建筑，陜西、遼寧頒布了《滑移隔震建筑標(biāo)準(zhǔn)》等地方性標(biāo)準(zhǔn)?！吨袊ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》中也僅僅是對采用應(yīng)用相對較廣的疊層橡膠隔震支座的建筑結(jié)構(gòu)隔震系統(tǒng)做了相關(guān)的規(guī)定。所以對于采用其他類型的基礎(chǔ)隔震體系還需進(jìn)一步的研究，以使這類隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，利于推廣應(yīng)用。

[1] 唐家祥,劉再華.建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1993.

[2] 蘇經(jīng)與，曾德民.我國建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].地震工程與工程震動，2001,21(4)：94-101.

[3] 熊仲明，張萍萍，韋 俊，等.滑移隔震結(jié)構(gòu)基于能量分析的簡化計(jì)算研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,44(3):305-309.

[4] 熊仲明,史慶軒，李菊芳.框架結(jié)構(gòu)基于能量地震反應(yīng)分析及設(shè)計(jì)方法的理論研究[J].世界地震工程,2005,121(2):141-146.

The development and research on our base sliding isolation

Wang Qingqing

(CivilEngineeringandArchitectureSchool,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

This paper briefly introduced the concept of base isolated structure, from theoretical and test research two aspects comprehensive discussed the development and research of domestic base sliding isolation, prospected future domestic sliding isolation technology research, was conducive to promoting the development of sliding isolation technology.

friction sliding isolation, theoretical research, test research, structure

2015-01-12

王晴晴(1988- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)09-0032-02

TU352.1

A