王 君

(張家口第一建筑工程集團(tuán)有限公司,河北 張家口 075000)

0 引言

歷史上因?yàn)榈卣馂?zāi)害導(dǎo)致的建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的事件數(shù)不勝數(shù)，結(jié)構(gòu)的破壞造成的人員傷亡難以承受，并且會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，使城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展停滯。因此迫切的需要對隔震技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究與發(fā)展。目前，我國的建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)最常見的是鉛芯疊層橡膠隔震支座，但是，鉛芯的使用會對環(huán)境造成不可逆的污染，同時(shí)該技術(shù)在低溫環(huán)境下有著顯著的缺陷，試驗(yàn)研究顯示鉛芯疊層橡膠隔震支座在低溫條件下容易迅速硬化，而且在低周疲勞的作用下支座中的鉛芯容易發(fā)生剪切破壞，大大降低支座的阻尼性能。在此基礎(chǔ)上研究人員提出了性能穩(wěn)定的高阻尼橡膠隔震支座，該支座同時(shí)具有高阻尼和高隔震的性能，同時(shí)沒有有害物質(zhì)，能夠在避免環(huán)境污染的同時(shí)保證工程結(jié)構(gòu)的安全。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Tsai等人對高阻尼橡膠支座的剪切性能進(jìn)行了一系列的研究，針對加載速度和剪切變形等因素對支座的剪切性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且提出了支座的水平恢復(fù)力模型，并且通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其正確性。Burtscher等人為研究不同形式的高阻尼橡膠隔震支座的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，主要對其支座形狀系數(shù)以及鋼板的不同形式對支座的豎向剛度以及水平剪切性能的影響進(jìn)行了研究、分析，結(jié)果表明二者對支座的豎向剛度以及水平剪切性能等力學(xué)性能影響較大。Masashi Yamamoto等人進(jìn)行了高阻尼橡膠隔震支座的水平剪切性能實(shí)驗(yàn)，分析了雙向耦合效應(yīng)與支座的水平剪切性能的相關(guān)關(guān)系，并提出了支座的水平恢復(fù)力模型。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。在國內(nèi)，研究人員也加入到了對高阻尼橡膠隔震支座的研究當(dāng)中，沈朝勇、周福霖等人[1]采用反復(fù)加載實(shí)驗(yàn)的方法對新型橋梁高阻尼橡膠隔震支座的水平剪切性能的影響因素進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，分別研究了高阻尼支座的剪應(yīng)變相關(guān)性、壓應(yīng)力相關(guān)性、溫度相關(guān)性、老化相關(guān)性等試驗(yàn)，研究了相關(guān)的因素對支座的屈服強(qiáng)度、等效剛度、等效阻尼比等性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高阻尼橡膠隔震支座的阻尼特征受加載頻率、溫度、老化、反復(fù)加載次數(shù)的影響較大，而剛度則受其影響較小。庾光忠、周函宇等人[2]對高阻尼橡膠材料的配方進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，并且制作了實(shí)物模型并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該支座的設(shè)計(jì)合理性。通過建立非線性動力分析模型，相關(guān)結(jié)果相符合。孫冬冬、李吉剛等人[3]研究制作了直徑為600 mm的高阻尼橡膠支座的實(shí)物模型，并對其進(jìn)行剪切應(yīng)變相關(guān)性試驗(yàn)，驗(yàn)證等效水平剛度與等效阻尼比與剪切應(yīng)變的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等效水平剛度隨剪切應(yīng)變的增加而減小。

2 有限元分析

2.1 工程概況

本工程為一6層框架混凝土結(jié)構(gòu)，自基礎(chǔ)頂面至屋面板的總高度為6×3.6=21.6 m，柱網(wǎng)尺寸為6×4，X向5跨Y向4跨，層高3.6 m，采用8度抗震設(shè)防烈度，建筑結(jié)構(gòu)安全等級：二級，設(shè)計(jì)使用年限：50年，二類a環(huán)境，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，建筑結(jié)構(gòu)阻尼比：0.05，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)采用C30混凝土、HRB335鋼筋、HPB300箍筋結(jié)構(gòu)尺寸分別為立柱尺寸：700 mm×700 mm；主梁尺寸：700 mm×300 mm；次梁尺寸：600 mm×300 mm；樓板厚：120 mm。作用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值分別為：樓面均布永久荷載為3 kN/m2；樓面均布活荷載為q=2 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.45，其體形系數(shù)1.3，考慮到建筑設(shè)計(jì)的安全與實(shí)用，采用隔震技術(shù)以減小房屋的地震反應(yīng)。

2.2 SAP2000建模

采用SAP2000有限元軟件對該6層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,本文對結(jié)構(gòu)輸入地震波el-centro波和tangshanSN波，對結(jié)構(gòu)施加地震作用，分別定義反應(yīng)譜函數(shù)和時(shí)程函數(shù)以及反應(yīng)譜工況和時(shí)程工況以便進(jìn)行地震模擬和分析。

時(shí)程工況輸出時(shí)段數(shù)定義為1 500，輸出時(shí)段大小0.02。由于本模型單位選擇N·mm，因此在定義反應(yīng)譜工況時(shí)將比例系數(shù)定義為9 800。

2.3 隔震支座的選擇

為了達(dá)到隔震目的，需要通過在支座處設(shè)置隔震裝置，以起到延長自振周期避免共振的目的，本文選擇布置高阻尼橡膠隔震支座。在布置隔震支座前，首先通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行分析，得到在重力荷載下的柱底反力，結(jié)構(gòu)要求豎向壓應(yīng)力不得超過12 MPa，并通過公式,計(jì)算柱底處最小直徑。再通過結(jié)構(gòu)的基底剪力求得所要求支座的水平屈服力,因此選擇尺寸為620 mm×620 mm的高阻尼橡膠隔震支座，隔震支座全部布置在結(jié)構(gòu)柱底。

2.4 SAP2000有限元分析

2.4.1模態(tài)分析結(jié)果

分別對未布置隔震支座的基本結(jié)構(gòu)與布置高阻尼橡膠隔震支座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到地震反應(yīng)數(shù)據(jù)。分別對二者的振動周期進(jìn)行了總結(jié)和對比，當(dāng)結(jié)構(gòu)布置隔震結(jié)構(gòu)時(shí)前三階的周期為隔震時(shí)的4倍左右。顯然，布置高阻尼橡膠隔震支座在很大程度上延長了結(jié)構(gòu)的自振周期，可以有效的避免共振的產(chǎn)生，進(jìn)而減小地震作用對結(jié)構(gòu)的影響。

2.4.2基底剪力時(shí)程分析

通過對隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析，可得到兩種結(jié)構(gòu)在el-centro波和tangshanSN波的作用下，在X方向產(chǎn)生的基底剪力數(shù)據(jù)，通過使用excel表格對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，得到基底剪力時(shí)程曲線對比圖，從曲線對比圖可以直觀的看出當(dāng)對結(jié)構(gòu)施加隔震支座后基底剪力明顯減小，波動更加平緩，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著降低。

2.4.3層間剪力對比分析

對原結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)分別在el-centro波和tangshanSN波的作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析，可以得到兩個(gè)結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的層間剪力值，可以看出無論從X向還是Y向，當(dāng)結(jié)構(gòu)施加高阻尼橡膠隔震支座后，層間剪力幾乎是未隔震結(jié)構(gòu)的1/3，有明顯的減小，隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)成倍降低。

3 分析總結(jié)

本文對一個(gè)6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)布置了高阻尼橡膠隔震支座，并用SAP2000有限元軟件分別對布置隔震支座的結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析與時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)基底剪力、層間剪力、周期等數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以明顯的看出布置高阻尼隔震支座的結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)無論是從層間剪力、基底剪力還是自振周期等方面均有大幅度的優(yōu)化，能夠有效的避免結(jié)構(gòu)的共振，可以明顯看出，當(dāng)受到地震作用的時(shí)候布置隔震支座的結(jié)構(gòu)能夠有效的減小地震的反應(yīng)，高阻尼橡膠隔震支座的隔振效果良好。

4 發(fā)展與展望

高阻尼橡膠隔震支座是一種水平恢復(fù)力、豎向承載力、阻尼(耗能)為一體的隔震支座[4]，通過眾多學(xué)者的研究實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以看出高阻尼橡膠隔震支座的滯回特點(diǎn)飽滿，耗能效果顯著，并且相對于一般橡膠支座不需要另加阻尼裝置，可以降低整體造價(jià)，大震后的殘余變形較小，耐久性比較好，減少了維修費(fèi)用，HDR高阻尼橡膠隔震支座受溫度影響較小，可以廣泛的應(yīng)用于全國各地。而且與現(xiàn)在最常用的鉛芯橡膠隔震支座相比，高阻尼橡膠隔震支座沒有外加污染性材料，更加環(huán)?！，F(xiàn)在高阻尼橡膠隔震支座已大量應(yīng)用于橋梁工程，但其在房屋建筑結(jié)構(gòu)中仍缺少實(shí)踐驗(yàn)證，因此，我們?nèi)孕鑼Ω咦枘嵯鹉z隔震支座進(jìn)行進(jìn)一步的探索與研究，使其能夠在維持較低的造價(jià)的同時(shí)，達(dá)到更加安全、耐久、抗老化的效果，能夠更好地發(fā)揮隔震性能。