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        隔震框架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

        2016-08-15 06:50:30王小莉方群莉
        黃山學(xué)院學(xué)報(bào) 2016年1期
        關(guān)鍵詞:框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

        王小莉,方群莉

        (黃山學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 黃山 245041)

        隔震框架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

        王小莉,方群莉

        (黃山學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 黃山 245041)

        介紹了隔震框架結(jié)構(gòu)的原理,分類、歸納和總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方法,對隔震框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、可靠度和經(jīng)濟(jì)性方面的研究成果,并對隔震框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究的發(fā)展方向做出展望。

        隔震;框架結(jié)構(gòu);地震反應(yīng);可靠度;經(jīng)濟(jì)性

        1引 言

        基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置柔性較好和具有適當(dāng)耗能能力的隔震支座和阻尼器等隔震裝置,使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)在向上部結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)過程中得到控制和衰減,提高了結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性,已成為結(jié)構(gòu)抗震的重要發(fā)展趨勢。目前我國已建成2000多棟各種基礎(chǔ)隔離體系的建筑物,通過記錄其部分建筑物在地震中結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)記錄和地震后破壞情況研究對比,基礎(chǔ)隔震的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的隔震減震效果。

        現(xiàn)對國內(nèi)外關(guān)于隔震框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究成果進(jìn)行分類、歸納和總結(jié),介紹了基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、可靠度和經(jīng)濟(jì)性的研究成果,并對隔震框架結(jié)構(gòu)未來的研究做出展望。

        2 隔震框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)研究

        2.1橡膠隔震框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究

        Jangd R S[1]研究了上部結(jié)構(gòu)的偏心對橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響,利用Lyapunov方程得到結(jié)構(gòu)的隨機(jī)響應(yīng),提出隨著結(jié)構(gòu)自由度數(shù)目增多,計(jì)算的準(zhǔn)確率會快速下降。

        于永波,等[2]采用非線性時(shí)程分析法探討填充墻對普通框架與設(shè)置橡膠支座的隔震框架的地震反應(yīng)的作用。結(jié)果表明對普通框架結(jié)構(gòu),考慮填充墻影響時(shí),從底層向上層加速度反應(yīng)增大;隔震框架結(jié)構(gòu),從底層向上層加速度反應(yīng)降低。

        熊世樹[3]采用靜力和動力試驗(yàn)研究鉛芯橡膠碟簧三維隔震支座框架結(jié)構(gòu)和常規(guī)框架結(jié)構(gòu),并對其進(jìn)行非線性空間時(shí)程分析。結(jié)構(gòu)圖1顯示隔震結(jié)構(gòu)滯回曲線比較豐滿。樓層的地震反應(yīng)較普通抗震框架結(jié)構(gòu)降低50%以上,水平雙向地震輸入和結(jié)構(gòu)偏心對隔震層的水平位移影響比較顯著。

        圖1 鉛芯橡膠芯橡膠碟黃三維隔震支座典型滯回曲線

        麥慶元,等[4]對MR智能疊層橡膠基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的時(shí)程反應(yīng)分析,結(jié)果表明MR智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)既能減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),而且能防止基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)產(chǎn)生過大變形而失效。

        龔洪兵[5]采用有限元軟件對普通抗震框架結(jié)構(gòu)、疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)以及懸掛基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程對比分析。研究結(jié)果表明兩種基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果相同,都能大幅度降低上部結(jié)構(gòu)的層間位移、速度、加速度,隔震作用良好。

        李林[6]通過對一四層無填充墻并設(shè)置橡膠隔震支座的基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)境激勵下的動力測試與有限元分析結(jié)果對比。結(jié)果顯示隨機(jī)子空間方法、STD法和RFP法都具有較精確的識別功能;在環(huán)境激勵下隔震層的水平等效剛度要遠(yuǎn)大于多遇地震設(shè)計(jì)情況下的數(shù)值。

        陳曉城[7]提出一種有鉛芯橡膠隔震墊、螺旋一碟形彈簧和粘滯阻尼器等組成的新型三維隔震支座。通過對新型隔震支座的框架結(jié)構(gòu)和普通框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行在水平和豎向地震反應(yīng)分析,結(jié)果顯示裝有新型隔震支座的結(jié)構(gòu),能夠延長結(jié)構(gòu)的周期多達(dá)284%,使結(jié)構(gòu)避開地震的卓越周期,降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),隔震結(jié)構(gòu)的主振型表現(xiàn)平動,而且主要變形集中在隔震層。并對該隔震支座的參數(shù)及地震強(qiáng)度等因素對隔震效果的影響進(jìn)行研究。

        楊一振[8]采用SAP2000對常規(guī)框架結(jié)構(gòu)和設(shè)置疊層橡膠支座的隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行7度罕遇地震響應(yīng)分析。結(jié)果表明基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的自振周期較普通結(jié)構(gòu)有明顯的延長,避開了場地的卓越周期;基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的各樓層加速度和剪力明顯小于常規(guī)結(jié)構(gòu);且提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆措施,并推導(dǎo)出隔震結(jié)構(gòu)的高寬比限值。

        路端[9]采取PKPM2010及SAP2000對鉛芯橡膠隔震支座和常規(guī)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和動力分析;運(yùn)用構(gòu)件拆除法,探討隔震框架結(jié)構(gòu)和常規(guī)框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌的機(jī)理和規(guī)律。

        任小朋,等[10]通過采用有限元軟件分析常規(guī)框架結(jié)構(gòu)、疊層橡膠支座的基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)和鉛芯橡膠支座的基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)研究。3種結(jié)構(gòu)的抗震性能比較為:疊層橡膠支座的框架結(jié)構(gòu)>鉛芯橡膠支座的框架結(jié)構(gòu)>普通抗震結(jié)構(gòu)。

        蔡勇,等[11]采用ANSYS對夾層橡膠墊基礎(chǔ)隔震與普通框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)時(shí)程分析。研究表明:基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的各樓層最大絕對加速度明顯減小,基底剪力、上部結(jié)構(gòu)的層間剪力降低,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)明顯降低。

        任毅[12]采用非線性動力時(shí)程分析對普通框架與設(shè)置鉛芯橡膠支座的基礎(chǔ)隔震框架在近場和遠(yuǎn)場8度(0.3g)地震作用下反應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果(圖2)表明,基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在近場地震動作用下,上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)反而比非隔震結(jié)構(gòu)更大。在遠(yuǎn)場和近場地震作用下,基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)會在峰值地面加速度較小時(shí)便進(jìn)入非線性狀態(tài)。且提出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震前基本周期不宜過長,且設(shè)計(jì)烈度不宜降低太多,才能保證在近場及遠(yuǎn)場地震下都能取得良好的隔震效果。

        圖2 8層隔震框架結(jié)構(gòu)各層最大層間

        2.2滑移隔震框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)研究

        Jzngid R.S.[13]通過試驗(yàn)研究提出當(dāng)發(fā)生一定強(qiáng)度的地震時(shí),滑移隔震結(jié)構(gòu)的振動和變形均可以控制在較輕微的水平范圍內(nèi),滑移系統(tǒng)可加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

        蔡康峰[14]利用SAP2000對滑移隔震框架與普通框架進(jìn)行分析。結(jié)果表明隔震框架的加速度、位移響應(yīng)與層間剪力比普通隔震框架小,結(jié)構(gòu)抗震性能較好。并給出一種罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)抗滑移傾覆的構(gòu)造措施。

        曹曉輝[15]通過試驗(yàn)和SAP2000研究分離式摩擦滑移隔震框架和常規(guī)框架在地震下的性能。研究表明(圖3)隔震層上部結(jié)構(gòu)的層間剪力和位移比常規(guī)結(jié)構(gòu)較小,隔震性能好;同時(shí)研究隔震裝置的部分參數(shù)對抗震性能的影響。

        圖3 地震作用下隔震框架和抗震框架

        陳翠翠[16]采用SAP2000分析隔震和常規(guī)單向質(zhì)量偏小框架結(jié)構(gòu),提出摩擦擺滑移框架比普通框架的抗地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)優(yōu)良的多。

        何志堅(jiān)[17]應(yīng)用有限元軟件分析兩種框架結(jié)構(gòu),即常規(guī)結(jié)構(gòu)和設(shè)置摩擦擺基礎(chǔ)滑移裝置結(jié)構(gòu)地震作用下的反應(yīng)。結(jié)果表明:該隔震系統(tǒng),可降低地震作用下結(jié)構(gòu)的自振周期、加速度、層間位移和層間剪力。

        楊俊飛[18]采用動力時(shí)程分析非對稱框架的抗震性能,提出采用摩擦擺隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)均較普通抗震結(jié)構(gòu)大程度降低。

        楊海旭,等[19]采用有限元軟件對摩擦擺隔震框架結(jié)構(gòu)在隔震前后結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明:該隔震裝置具有良好的復(fù)位功能和振動穩(wěn)定性,使上部結(jié)構(gòu)整體平動,大幅度降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

        熊仲明,等[20]運(yùn)用SAP2000對帶有限位裝置的基礎(chǔ)滑隔震框架結(jié)構(gòu)在不同工況作用下的試推與復(fù)位方案進(jìn)行分析。通過分析結(jié)果提出能讓上部結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力和變形最小的試推方案,及局部荷載作用與整體荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)的對比關(guān)系。

        王秀麗,等[21]利用ANSYS對6層和10層普通抗震框架結(jié)構(gòu)和帶抗拔型三重摩擦擺隔震支座的基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)表明設(shè)隔震結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的抗震性能;(圖4)隨著層數(shù)的增加,結(jié)構(gòu)的動能比系數(shù)衰減減慢,多層數(shù)的隔震結(jié)構(gòu)的能量衰減不如低層數(shù)的隔震結(jié)構(gòu)迅速。

        圖4 不同層數(shù)框架隔振結(jié)構(gòu)的動能比系數(shù)

        2.3復(fù)合隔震框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)研究

        辛?xí)赠i[22]采用振動臺試驗(yàn)和SAP2000研究分析彈性滑板復(fù)合隔震框架抗震性能。提出摩擦承壓比、地震烈度和地震波對其結(jié)構(gòu)性能的影響。

        邱林波[23]提出一種由碟形彈簧豎向減震裝置和疊層橡膠墊或鉛芯橡膠墊串聯(lián)組成的水平-豎向復(fù)合隔震裝置。通過對復(fù)合隔震框架結(jié)構(gòu)的隔震前后的地震反應(yīng)進(jìn)行非線性時(shí)程分析。結(jié)果表明復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)的自振周期延長了214%;復(fù)合隔震后結(jié)構(gòu)的各層剪力和各層軸力分別比相應(yīng)的非隔震結(jié)構(gòu)減少40%左右和42%以上,在三維地震作用下復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)層間位移比隔震前降低50%以上,復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)在地震下的水平和豎向振動基本呈整體平動。

        劉海卿,等[24]采用數(shù)值模擬分析SMA絞線-疊層橡膠復(fù)合支座框架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明頂點(diǎn)位移減少20.8%,加速度減少10.6%,有效地減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

        張佳慧[25]應(yīng)用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究選用恰當(dāng)含量NI、TI配比的SMA復(fù)合隔震框架分析提出其抗震性能優(yōu)良。

        馬裕超[26]對復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)鋼框架進(jìn)行了地震模擬振動臺試驗(yàn)和SAP2000有限元模擬分析。研究影響結(jié)構(gòu)高寬比限值的因素和簡化的計(jì)算公式。

        裴俊杰[27]采用SAP2000對傳統(tǒng)抗震框架結(jié)構(gòu)、純橡膠隔震框架結(jié)構(gòu)及復(fù)合隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析,并與結(jié)果(圖5)表明復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)與橡膠隔震結(jié)構(gòu)層間位移在相同地震波作用下基本相同,橡膠隔震結(jié)構(gòu)的加速度峰值最?。粡?fù)合隔震結(jié)構(gòu)較為明顯的降低了隔震層和上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),具有良好的抗震、減震效果。

        圖5 8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間

        姚菲[28]提出了新型-鋼筋-瀝青復(fù)合隔震層,通過不同工況下的振動臺試驗(yàn)和有限元軟件MSC. MARC6,對其進(jìn)行試驗(yàn)和理論分析研究。結(jié)果表明:(圖6)隔震結(jié)構(gòu)的加速度幅值比均小于非隔震結(jié)構(gòu)的加速度幅值比,能減小上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng);能夠大幅衰減傳遞至上部結(jié)構(gòu)的地震動;在地震中相對位移較?。辉诖笳鹣碌姆€(wěn)定性和安全儲備較高,在遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)烈度的地震激勵下仍能保持良好的隔震性能并不致倒塌。

        圖6 隔震框架與非隔震框架

        楊海旭[29]采用ABAQUS分析NES-復(fù)合摩擦擺隔震框架結(jié)構(gòu)在EL-Centro波、Accel人工波、Taft波作用下隔震前后結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。結(jié)果表明具有NES的復(fù)合摩擦擺隔震支座,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體平移,減小了結(jié)構(gòu)的層間位移角,增大結(jié)構(gòu)自振周期,遠(yuǎn)離了一般場地的卓越周期,具有良好的抗震效應(yīng)。

        3 隔震框架結(jié)構(gòu)的可靠度研究

        許宏洲[30]研究隔震框架的承載力時(shí)程、抗傾覆時(shí)程和使用期限內(nèi)的可靠度,并分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對可靠度變化的影響。

        張穎,等[31]以工程實(shí)例為研究對象,分析了隔震層參數(shù)對中間層隔震結(jié)構(gòu)的體系可靠度的影響,結(jié)果表明采用中間層隔震技術(shù)后,隔震層上部結(jié)構(gòu)的地震力水平較原結(jié)構(gòu)降低了一度,且下部結(jié)構(gòu)的動力可靠度也較不隔震時(shí)有所提高,合理的隔震層剛度和適當(dāng)?shù)母粽饘幼枘峥梢悦黠@降低中間層隔震結(jié)構(gòu)在大震下整體倒塌的概率。

        孫臻,等[32]基于首次穿越準(zhǔn)則,研究非平穩(wěn)隨機(jī)地震激勵下各樓層與結(jié)構(gòu)整體的可靠度。并運(yùn)用該理論分析某高層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在8度與9度罕遇地震作用下的隨機(jī)地震響應(yīng),得到隔震后上部結(jié)構(gòu)各樓層層間位移方差較非隔震結(jié)構(gòu)大幅減小。

        孫俊,等[33]在胡幸賢地震動模型激勵下,采用變形失效準(zhǔn)則,推導(dǎo)了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)矩解析觸和上部結(jié)構(gòu)和隔震層的功能狀態(tài)極限函數(shù)。且采用首次超越破壞模型,Possion分布假設(shè)和串聯(lián)系統(tǒng)可靠度模型,提出了基礎(chǔ)隔震體系杭震可靠度的簡化分析方法。

        曾志華[34]采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和MATLAB軟件分析研究隔震框架結(jié)構(gòu)可靠性。提出隔震裝置是提高結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)鍵。

        4 隔震框架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性研究

        黨育,等[35]對隔震結(jié)構(gòu)和常規(guī)結(jié)構(gòu)的直接建設(shè)費(fèi)用和震后損失及震后維修費(fèi)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析。結(jié)果表明一般建造在抗震設(shè)防高烈度區(qū)的丙類鋼筋混凝土框架和框剪結(jié)構(gòu),隔震結(jié)構(gòu)的直接建設(shè)費(fèi)用降低1%-5%,震后損失及震后維修費(fèi)用可減少8%-35%。

        熊仲明,等[36]以工程實(shí)例為研究對象,定量分析了隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu),提出隔震技術(shù)具有較高的安全性和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

        繆馳,等[37]通過對比框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、小柱網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)及隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的動力反應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)與工程經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果表明隔震框架結(jié)構(gòu)最大彈性層間位移角、各樓層加速度和最大彈塑性層間位移角均小于未隔震結(jié)構(gòu),隔震技術(shù)可顯著改善結(jié)構(gòu)的杭震性能;采用合理的隔震方案,可明顯降低直接建設(shè)費(fèi)用和震后修復(fù)費(fèi)用。

        粟增欣,等[38]通過對隔震框架結(jié)構(gòu)地震前后的造價(jià)對比。結(jié)構(gòu)表明隔震結(jié)構(gòu)的震后損失及維修費(fèi)可降低8%-35%;結(jié)構(gòu)的高寬比或高度對結(jié)構(gòu)的單位面積的直接建設(shè)費(fèi)用的影響最大;隨著結(jié)構(gòu)高度和層數(shù)的增加,直接建設(shè)費(fèi)用較低,具有較好的經(jīng)濟(jì)效果;對于長寬比和抗震設(shè)防烈度對直接建設(shè)費(fèi)用的差值的影響較小。

        杜永峰[39]利用“5·12”汶川地震后工程震害調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果,提出評估同一地區(qū)不同類型結(jié)構(gòu)的抗震投入產(chǎn)出效益的新指標(biāo)-結(jié)構(gòu)價(jià)值損失比率。并利用結(jié)構(gòu)價(jià)值損失比率,研究隔震結(jié)構(gòu)的減災(zāi)效益。

        5 研究展望

        1.通過更深入和全面的理論和試驗(yàn)分析隔震框架結(jié)構(gòu)的豎向地震反應(yīng)。

        2.應(yīng)用不同的地震反應(yīng)分析方法和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深一步研究。

        3.研發(fā)新型復(fù)合隔震體系應(yīng)用到不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)中,及分析扭轉(zhuǎn)時(shí)對結(jié)構(gòu)的影響。

        [1]Jangid R S,Datta T K.The stochastic response of asymmetric base isolated buildings[J].Journal of Sound and Vibration,1995,179(3):463-473.

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        責(zé)任編輯:胡德明

        The Current Research Status and Development of Frame Structures of Seismic Isolation

        Wang Xiaoli,F(xiàn)ang Qunli
        (School of Architectural Engineering,Huangshan University,Huangshan 245041,China)

        This paper introduces the principle of vibration isolation frame structures,and discusses,through classification,induction and summarization,the research achievements made by scholars at home and abroad in the perspectives of the seismic response,reliability and economical efficiency of isolation framework structures using theoretical analysis,experiment research and numerical simulation.Finally,this paper looks into the development trend ofresearch into the anti-seismic property of vibration isolation frame structures.

        seismic isolation;frame structure;seismic response;reliability;economy

        TU352.1

        A

        1672-447X(2016)03-0061-006

        2016-03-14

        王小莉(1984),山東菏澤人,碩士,黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院助教,研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程;方群莉(1985),安徽歙縣人,碩士,黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院助教,研究方向?yàn)槌青l(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。

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