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        帶新型抗風(fēng)拉索高層隔震結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與隔震性能探究

        2017-07-19 21:46:17王思琪
        科學(xué)與財(cái)富 2017年19期

        王思琪

        摘 要:本文主要是提出一種由灰鑄鐵與鋼絲繩組成的新型串聯(lián)型抗風(fēng)拉索。該種結(jié)構(gòu)可有效運(yùn)用于高層防震結(jié)構(gòu)中,不僅對(duì)風(fēng)荷載作用下的橡膠支座抗風(fēng)能力進(jìn)行有效提升,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)鉛芯橡膠支座數(shù)量的有效減少。抗風(fēng)拉索退出工作的現(xiàn)象長(zhǎng)期存在于地震作用力下,上述技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)等效水平剛度的有效減少,最終實(shí)現(xiàn)隔震層與抗風(fēng)性能協(xié)調(diào)的目標(biāo)。這不僅對(duì)高層隔震結(jié)構(gòu)的建設(shè)有促進(jìn)作用,同時(shí)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義。

        關(guān)鍵詞:高層隔震結(jié)構(gòu);抗風(fēng)拉索;抗風(fēng)性能;隔震性能

        在實(shí)際對(duì)隔震結(jié)構(gòu)隔震層進(jìn)行布置時(shí),多數(shù)方法是通過(guò)增加鉛芯橡膠記支座等方法來(lái)實(shí)現(xiàn),這不僅對(duì)相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行滿(mǎn)足,同時(shí)可對(duì)抵抗風(fēng)荷載的力量進(jìn)行有效加大。從風(fēng)雅壓較大的地區(qū)高層隔震結(jié)構(gòu)角度來(lái)說(shuō),在實(shí)際進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要加大鉛芯橡膠支座的抗風(fēng)承載力,還要對(duì)隔震支座水平高度以及減震系數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行有效減少,這兩者之間存在一定的矛盾。為對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行解決,部分學(xué)者提出全新的技術(shù)與抗風(fēng)裝置,這對(duì)有效的解決高層隔震結(jié)構(gòu)以及抗風(fēng)穩(wěn)定性的矛盾有促進(jìn)作用。

        一、新型串聯(lián)型抗風(fēng)拉索的工作原理及構(gòu)造

        新型的串聯(lián)型抗風(fēng)拉索裝置是在提高抗風(fēng)承載力與鉛芯疊層橡膠支座的基礎(chǔ)上進(jìn)行,灰鑄鐵以及鋼絲層是其重要組成部分,主要運(yùn)用串聯(lián)的方式對(duì)上述材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接。三段式串聯(lián)組裝的抗風(fēng)拉鎖裝置不僅可以有效解決抗風(fēng)穩(wěn)定性問(wèn)題,還可實(shí)現(xiàn)對(duì)剛度需求的有效滿(mǎn)足。柔軟性是綱絲繩軸向的顯著特征與缺陷,因此并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的有效承受。在實(shí)際進(jìn)行工作時(shí),只能向軸周傳遞拉力,這對(duì)受拉性能進(jìn)行直觀體現(xiàn)。剛度較強(qiáng)是灰鑄鐵的顯著優(yōu)勢(shì)也與特征,同時(shí)其具有非常高的抗壓強(qiáng)度,但抗拉強(qiáng)度卻存在一定的缺陷。在實(shí)際進(jìn)行連接時(shí)我們采取的是串聯(lián)的方式,所以灰鑄鐵構(gòu)件只能實(shí)現(xiàn)對(duì)其抗拉性能的有效體現(xiàn),但抗壓強(qiáng)度會(huì)受到一定的破壞。我們將兩種材料的力學(xué)特性以及串聯(lián)連接進(jìn)行綜合分析,得出的結(jié)果表示新型抗風(fēng)拉索軸向受力體現(xiàn)為單純受拉特性。

        從風(fēng)荷載作用力角度來(lái)看,抗風(fēng)拉索協(xié)同鉛芯橡膠支座的抗風(fēng)承載力是在減少鉛芯橡膠支座數(shù)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn),同時(shí)抗風(fēng)拉索的拉力小于其強(qiáng)度,可長(zhǎng)時(shí)間的保持彈性工作。這是鉛芯橡膠支座減少的有效作用。在遇到地震作用力的情況下,灰鑄鐵中向拉力會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)極限狀態(tài),最終導(dǎo)致串聯(lián)體系斷開(kāi)連接,抗風(fēng)拉鎖不能實(shí)現(xiàn)繼續(xù)工作。為在真正意義上實(shí)現(xiàn)整個(gè)高層隔震結(jié)構(gòu)的隔振性能提高,必須隔震層的等效水平高剛度有效減少,同時(shí)保持隔震支座對(duì)隔振性能的有效發(fā)揮。

        二、工程概況和隔震結(jié)構(gòu)分析模型

        1.工程概況

        該高層結(jié)構(gòu)為新疆喀什地區(qū)的某辦公樓,結(jié)構(gòu)形式采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu),建筑類(lèi)別為丙類(lèi)建筑,建筑總高度74m,地上28層(包括隔震層)。隔震層層高1.6m,1、2層層高5.5m,3~26層層高2.9m,27層層高4.5m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,主要設(shè)計(jì)依據(jù):

        (1)場(chǎng)地土為中硬場(chǎng)地土,場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組第三組;

        (2)基本風(fēng)壓按50年一遇采用,取0.55kN/m2,地面粗糙度B類(lèi);

        (3)區(qū)域抗震基本烈度8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.3g。隔震目標(biāo):擬通過(guò)采用隔震技術(shù),使結(jié)構(gòu)在當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度(8度(0.3g))下,上部結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施降低1度(7度(0.15g))設(shè)計(jì),即使隔震后的水平向減震系數(shù)β≤0.4。

        2.隔震結(jié)構(gòu)分析模型

        采用ETABS對(duì)該高層隔震建筑進(jìn)行有限元建模,上部結(jié)構(gòu)采用彈性模型和剛性隔板假定,取地下室頂部為嵌固端,梁和柱采用框架單元,墻采用殼單元,樓板采用膜單元,隔震支座考慮拉壓剛度不等,采用Isolator1和Gap單元并聯(lián)方式模擬拉壓剛度非線(xiàn)性,隔震支座豎向拉壓剛度比取值為1/7。

        三、帶抗風(fēng)拉索高層隔震結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用和地震作用反應(yīng)分析

        由于進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)基本周期的延長(zhǎng)主要依賴(lài)于隔震層具有較小的等效水平剛度,一般認(rèn)為水平剛度越小,隔震性能越好。隔震方案1的有可能滿(mǎn)足減震系數(shù)β≤0.4的設(shè)計(jì)目標(biāo),但有限元軟件ETABS的隔震分析結(jié)果顯示,這個(gè)方案按彈性計(jì)算所得的樓層剪力減震系數(shù)(7條地震波計(jì)算的平均值)的最大比值出現(xiàn)在Y向地震波作用下的14層,具體比值為0.406>0.4;而樓層傾覆力矩減震系數(shù)(7條地震波計(jì)算的平均值)的最大比值出現(xiàn)在Y向地震波作用下的3層,具體比值為0.430>0.4。

        在隔震方案的最初設(shè)計(jì)階段,只依賴(lài)鉛芯橡膠支座提供抗風(fēng)承載力,使隔震層的等效水平剛度最小的隔震方案1也不能達(dá)到減震系數(shù)β≤0.4的設(shè)計(jì)目標(biāo)。產(chǎn)生這種矛盾的主要原因是在于在高風(fēng)壓高層結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)中,出于隔震層抗風(fēng)承載力的設(shè)計(jì)要求,需要大量的鉛芯橡膠支座來(lái)提供抗風(fēng)承載力,而鉛芯橡膠支座的Keq(水平剪切應(yīng)變100%時(shí)的等效水平剛度)往往比較大,會(huì)很大程度地影響隔震結(jié)構(gòu)的整體隔震效果,使得隔震方案設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足目標(biāo)減震系數(shù)成為了問(wèn)題。

        為了實(shí)現(xiàn)抗風(fēng)拉索在風(fēng)荷載作用下抗風(fēng)、地震作用下達(dá)到抗拉極限承載力而拉斷退出工作,抗風(fēng)拉索的抗拉極限承載力設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足下式:γWVW

        由于抗風(fēng)拉索中鑄鐵構(gòu)件屬于強(qiáng)度較低的部分,而鋼絲繩的公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度一般可以達(dá)到1570~1960MPa的量級(jí),在串聯(lián)系統(tǒng)中,當(dāng)組成系統(tǒng)的任意單元失效,則系統(tǒng)就失去設(shè)計(jì)的功能。選取牌號(hào)為HT350的灰鑄鐵的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度作為串聯(lián)體系抗風(fēng)拉索的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,鋼絲繩的主要作用為連接與傳遞軸向拉力,鋼絲繩選取6×19S+IWR型。

        四、結(jié)論

        通過(guò)對(duì)分別設(shè)置了WRC+ISO抗風(fēng)方案和ISO抗風(fēng)方案的高層隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)荷載作用下與水平地震作用下的對(duì)比分析,可以得出新型串聯(lián)型抗風(fēng)拉索具有以下工作性能特點(diǎn):

        (1)風(fēng)荷載作用時(shí),協(xié)助鉛芯橡膠支座提供抗風(fēng)承載力,從而減少鉛芯支座個(gè)數(shù);地震作用時(shí),拉索退出工作,減小隔震層水平等效剛度,有利于進(jìn)一步延長(zhǎng)高層隔震結(jié)構(gòu)周期、優(yōu)化隔震效果、降低減震系數(shù)。

        (2)風(fēng)荷載作用下,抗風(fēng)拉索拉力遠(yuǎn)小于極限拉力設(shè)計(jì)值,抗風(fēng)拉索抵抗水平風(fēng)荷載具有足夠的安全儲(chǔ)備;多遇地震作用下,抗風(fēng)拉索在每條地震波作用下的拉力響應(yīng)包絡(luò)值遠(yuǎn)大于其極限拉力,保證多遇地震或以上強(qiáng)度地震作用下風(fēng)拉索拉斷而退出工作的機(jī)制。

        參考文獻(xiàn):

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