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隔震措施

隔震措施

1隔震技术基本原理

隔震技术基本原理

大部时的晃动使结构构件遭到破坏,使建筑物不能支持自身重量而倒塌,以致引起人类居住空间的毁灭。抗震设计的基本要素中,首先是建筑物要能持续支持自身重量,其次是能够通过结构构件的强度和延性来吸收地震输入的能量。

对于传统抗震结构,其基础固结于地面,地震时结构在地震作用下反应自下而上逐渐增大,从而引起结构构件破坏,建筑物内人员也能感受到强烈的震动。其抗震设防目标在现行建筑抗震设计规范中具体化为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。这种设计思想是依靠建筑物本身的结构构件的强度和塑性变形的能力,抵御地震作用和吸收地震能量。为了确保结构安全,就不得不增大结构构件的设计强度,消耗更多的材料,这将导致结构受到的地震作用也相应增大。当结构的设防烈度较高或由于使用功能的原因对结构的性能水准有较高的要求时,对于传统的抗震结构,在经济性和安全性之间找到一个平衡点就非常困难了。

隔震结构通过在基础结构与上部结构之间设置隔震层,使上部结构与地震动的水平成分绝缘。隔震层中设置隔震支座和阻尼器等隔震装置,其中隔震支座能够安定持续地支承建筑物的重量、追随建筑物的水平变形、并且具有适当弹性恢复力,而阻尼器能够用于吸收地震输入能量。因此,隔震结构是一种遵循前面提到的抗震设计两个基本要素的结构形式,遭受罕遇大地震时,作用于上部结构的水平力比一般建筑要小很多,因此很容易对上部结构进行弹性设计。所以即使遭受罕遇大地震,隔震结构也能维持上部结构的功能,确保建筑物内部财产不遭受损失,保障生命安全。

基础隔震技术利用专门的隔震装置,通过隔震层集中发生较大的相对位移,阻隔了地震能量向上传递,使得建筑物有更高的可靠性和安全性,如图示1-1

 

1-1  抗震结构与隔震结构的地震反应(左图为抗震结构,右图为隔震结构)

目前工程上最常用的叠层橡胶隔震系统一般是在基础和上部结构之间设置专门的叠层橡胶隔震支座和耗能装置,形成隔震层,分离基础和上部结构。隔震层的设置延长了上部结构的基本周期,从而避开了地震地表运动的主频带范围,减小共振响应,阻断地震能量向上部结构传递,同时利用隔震层的高阻尼特性,消耗输入地震动能量,进一步减小了传递到上部结构的地震作用。

图1-2分别提供了一般建筑物的剪力反应谱和位移反应谱。对于一般抗震结构刚度大,基本周期小,故其在地震作用下剪力反应大,位移反应小,如图中A点所示。若通过安装隔震装置延长结构周期,而保持阻尼不变时,则其剪力反应有明显降低,而位移反应有所增大,如图中B点所示。若在安装隔震装置的基础上增大其阻尼,则剪力反应继续减小,位移反应得以控制,如图中C点所示。

 

1-2  结构剪力反应谱和位移反应谱


隔震层分析模型

在建立基底隔震房屋的分析模型时,首先要考虑隔震层的简化。对于多层橡胶垫隔震支座,一般可根据以下几点的简化模型:

(1)考虑隔震层的最大位移在多层橡胶隔震支座的线性范围内(一般最大变形为250%),故在该范围内模型可取为线弹性的(图1-3)

(2)当采用的阻尼器为粘滞型阻尼器时,阻尼力F可按下式计算:

式中,v为相对速度;C为阻尼常数;n为待定常数,一般取

(3)当采用的阻尼器为滞回型阻尼器时,根据试验结果,为简化起见可取双线型模型,如图1-3(c)所示。这时,隔震层系统分析模型可采用如图1—3(a)所示的双线型

 

1-3 橡胶垫隔震层恢复力模型

(a) 隔震系统;(b)叠层橡胶支座;(c)阻尼器

 

(4)由前试验结果可知,铅芯多层橡胶隔震支座和高阻尼多层橡胶隔震支座可采用修正的双线型模型,如图1-4所示。

 

1-4 修正的双线型恢复力模型


隔震体系分析模型及动力方程

1).刚体模型

 

1-5 隔震结构的刚体模型

 

 

 

2)多质点体系平动分析模型

当上部结构相对较柔、层间变形较大时(如多层框架结构),隔震房屋可简化成多质点体系,如图1-6所示。通常由于橡胶垫支座的竖向刚度远大于其水平刚度,故在进行地震反应分析时可近似认为结构只有平动,而忽略隔震层的竖向变形引起的摆动。根据D’Alembert原理,可导出隔震体系的振动方程为

 

1-6 多质点平动体系的分析模型

3)多质点体系平动-摇摆分析模型

当上部结构层间刚度相对较小、垂直荷载较大,而采用的多层橡胶垫的橡胶总厚度较大时,可能产生明显的竖向变形。在这种情况下,不仅要考虑结构的水平振动,而且还要考虑结构的摇摆振动,它的分析模型如图1-7所示。在实际工程中,这种情况并不多见。根据D’Alembert原理,可导得该种体系的振动方程为

 

1-7 多质点隔震体系平动-摇摆振动分析模型

 

2隔震结构的功能和优越性

基底隔震结构与传统抗震结构相比具有以下特点:

(1) 提高了结构地震安全性和舒适性。根据基底隔震结构在地震中的强震记录和振动台模拟地震试验可知,这种隔震结构的加速度反应是传统的抗震结构的1/4~1/12。

(2) 防止了非结构构件破坏和建筑物内物品的振动、移动和翻倒。在中小地震作用下,隔震结构基本没有损坏,仍处在弹性阶段;在罕遇大地震作用下,隔震结构一般仅发生部分破坏或非结构构件破坏,而不致倒塌。上部结构近似于刚体振动。

(3) 降低了房屋结构的造价。虽然隔震装置需增加约5%的造价,但由于地震时上部结构的地震作用大大降低,使上部结构的构件截面、配筋减少,构造措施和施工简单,隔震结构总造价仍可降低。统计表明:7度区可节省1%~3%;8度区可节省5%~15%;9度区可节省10%~20%。

(4) 结构平立面设计较为灵活。由于上部结构地震作用减少很多,使得对建筑和结构设计时的严格限制大大放宽。

(5) 可以保持仪器和设备的正常使用功能。

采用隔震技术,上部结构的地震作用一般可减小40%~80%,地震时建筑上部结构的反应以第一振型为主,类似刚体平动,通过隔震层的相对大位移可以降低上部结构受到的地震作用。采用基础隔震措施并按较高标准进行设计后,地震时上部结构反应很小,结构构件和内部设备都不会发生明显破坏或丧失正常的使用功能,在房屋内部工作和生活的人员不仅不会遭到伤害,也不会感觉到剧烈的摇晃,强震发生后人员无须疏散,房屋基本无须修理。

隔震结构的优越性,体现在安全性和经济性两个方面。

1994年,在美国Northridge 发生6.7级地震,对各类建筑、桥梁、生命线系统造成极大破坏。在本次地震中,采用铅芯橡胶支座隔震的USC University医院完好无损,地震后立即可以使用,而类似结构的Olive View医院由于强烈的振动使顶层水管破裂而临时关闭。地震记录表明,Olive View医院的顶层地震加速度放大到地面的2.5倍,而USC University医院的顶层加速度则只有地面的35%。

隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加价值,因此与抗震建筑比较时,应考虑该附加价值进行综合评价。在考虑隔震建筑的造价时,不仅要考虑建设费用。如果从包括建筑在使用期间遭受地震损坏的维修、重建、内部物品的损坏和经济损失的整个使用寿命期的价格来考虑,隔震建筑具有很好的经济性。但是,控制建设费用仍是今后普及隔震建筑的主要因素之一。根据建筑规模和隔震层的位置,各项费用的变动大致情况见表1-1:

表1-1 隔震建筑与抗震建筑建设费用的比较


价格增减项目

造价增减

项目

具体情况

上部结构

结构部分

结构部分的减少

构件截面减小

减小

节约钢筋和钢骨用量

减少剪力墙的布置

结构构件标准化

构件截面容易统一

减小

非结构部分

装修费用的降低

内外装修连接减小

减小

门窗框减小

伸缩缝防水性改善

节省材料

内外装修构件的形状、板厚钢筋用量减少

减小

内外装修的受力构件截面减小、易标准化

与设备机器的抗震性能相关的费用降低

活动地板、天花板抗震性能的提高

减小

电梯、机房及其受力构件、锚固螺栓、基础减小

设备基础及台座、锚固螺栓的减小

装修材料、设备管线连接的简化

设备管线支承构件数量减少

减小

隔震层

隔震构件

隔振器和阻尼器

增加

管线连接

管线采用柔性连接

增加

基础 结构

隔震结构上下层楼面

地下开挖量增大,地下墙增强

增加

结构体积增大

基础结构尺寸的减小

桩径减小

减小

基础梁截面减小

独立基础尺寸减小

 

隔震建筑的建设费用中,比一般费用增加的部分,包括隔震构件、隔震层附近的结构(隔震层上下的楼面)、设备管线的柔性连接。费用减少部分有:地震力减小使结构构件截面减小,由于层间变形很小使设备、装修的连接更加合理。

从隔震建筑的应用与抗震结构造价的比较,全部工程费用虽然有所增加,但隔震效果很好,上部结构和基础结构部分的造价减少很多,如果能有效利用隔震层作为设备层或停车场,可抵消隔震构件和隔震层费用的增加,因此总造价可能会减少。而且,对中高层建筑来说,隔震层在总建筑中占的比例较小,使造价增加率减小。


3隔震体系的构成

对于隔震结构,与传统结构的主要区别是在上部结构和下部结构之间增设隔震层,隔震层设置了隔震系统。隔震系统主要有隔震装置、阻尼装置和抗风装置等部分组成,其组成见图1-8。这些装置可以是各自独立的构件,也可以是同时具备几种功能的一个构件。隔震系统按功能可分为功能复合型和功能分离型。功能复合型隔震系统采用了高阻尼橡胶支座或铅芯橡胶支座等兼有阻尼器功能的支座。分离型是指天然橡胶支座+阻尼器这种类型,它们分别发挥着隔震支座和阻尼器的功能。弹性滑板支座根据其阻尼器功能的大小,处于复合型和分离型的中间位置。由于功能复合型隔震支座的恢复力特性包含了阻尼器的恢复力特性,在评价隔震系统性能,或提供用于结构动力反应的分析模型时,要根据复合的恢复力性能结果而定。

隔震装置的作用在于一方面支撑上部结构的全部重量,另一方面由于装置本身的弹性延长结构自振周期,使结构的基频处于高能量的地震频率范围之外,从而有效降低结构的地震反应。隔震支座在支撑上部结构时不仅不能丧失其对上部结构的承载能力,而且还要能够承受基础和上部结构之间较大的相对位移,还应具有较好的自恢复能力,使其在地震过后有能力复位。阻尼装置的作用是吸收地震能量,抑制地震波中长周期成分可能给仅有隔震支座的建筑物带来的大变形,并且在地震后帮助隔震支座复位。抗风装置的目的在于增加隔震系统的初始水平刚度使结构在风荷载作用下保持稳定。

传统结构的柱和梁等各构件刚接在一起,其力学性能相互影响,因此即使能得到个别构件的试验结果,也不能由此简单地推算出结构整体的运动状况。相反,在地震时,隔震装置所受的都是单一的水平变形,所以能够抽出各隔震装置进行试验,综合其结果后可较容易地把握隔震结构的整体特性。关于试件的大小,虽然弹性性能相似法则成立,但最终的破坏现象受到试件大小的影响,有必要用原型试件进行试验。隔震装置可分开单独试验,因而具有研究实际大小、实际环境、实际位移和实际速度的优点。

 

                                                                                                                                                                                     负责人:***

隔震支座

隔震支座要能长期安定地支承建筑物的重量,即使地震产生水平变形时,支座也要能安定地支承竖向荷载。支座随水平变形产生的竖向变形要尽可能小,作用于隔震支座的水平力与位移的关系很简明,必须保证设计时使用的关系式在实际中也能得到发挥。设计时需要把握隔震支座刚度的偏差、隔震支座竖向荷载与水平变形之间的关系,也要把握隔震支座产生的拉伸变形与水平变形的相互关系。

1)叠层橡胶支座的结构和特征

经过人们不断的探索,如今基础隔震技术已经系统化、实用化。目前工程最常用的是叠层橡胶支座隔震体系,该体系性能可靠稳定,采用叠层橡胶支座作为隔震元件。该支座由一层层薄钢板和橡胶相互叠置,经专门的硫化工艺黏合而成,其构造可见图1-9,其中为有效直径,为外径,为中心孔径(铅芯橡胶支座时是铅芯直径)。目前最常见的叠层橡胶支座主要有普通多层橡胶支座,铅芯多层橡胶支座和高阻尼多层橡胶支座等,其实物如图1-10

(1) 普通多层橡胶支座

普通多层橡胶支座用天然橡胶或氯丁二烯橡胶制造,它具有弹性性质,本身没有明显的阻尼性能,所以通常它需和阻尼器一起使用。该种支座的做法是先在每层钢板上涂满粘结剂,再把橡胶片与钢板交替叠放在一起,然后置于高温高压下硫化成型,即得到橡胶片与钢板叠合在一起的多层橡胶支座。

(2) 铅芯多层橡胶支座

在普通多层橡胶支座中部竖向灌入铅棒就构成了铅芯多层橡胶支座,灌入的铅棒的两个作用:一是增加支座的耗能能力,利用铅芯的塑性变形吸收能量,使得支座具有一定的阻尼作用;二是增加支座的早期刚度,控制结构的风振反应和抵抗地基的微振动。铅芯多层橡胶支座由于既起到隔震的作用,又起到阻尼的作用,所以它可以单独地在隔震结构中使用,无需另设阻尼器,使隔震系统的阻尼变得简单。

(3) 高阻尼多层橡胶支座

高阻尼多层橡胶支座是采用高阻尼橡胶材料制造而成。高阻尼橡胶可以通过在天然橡胶中掺入石墨得到,并且可根据石墨的掺入量调节材料的阻尼特性。高阻尼橡胶也可以是由高分子材料合成的人工橡胶,这种人工合成橡胶不仅阻尼性能好,而且抗劣化性能也很好。它也可以起到隔震的作用,又起到阻尼的作用,在隔震结构中能单独使用。

 

1-9  叠层橡胶支座构成图

 

1-10 铅芯橡胶支座(左)、天然橡胶支座(右)

由于橡胶层和钢板交互叠合并紧密粘结,因为橡胶的弹性模量很小,近似具有非压缩性,把橡胶做成薄层,用钢板来约束轴向压力产生的横向膨胀,则当支座受较大竖向受压荷载时,橡胶层的横向变形受到钢板约束而减小,使叠层橡胶支座具有很大的竖向受压承载力和刚度。当其受水平荷载作用时,由于叠层钢板的作用,使叠层橡胶支座的水平刚度较低,且由于各橡胶层的相对侧移大大减小,使得叠层橡胶支座可以达到很大的整体水平相对位移而不致失稳,并且具有较强的自恢复能力。

叠层橡胶支座的支承性能,尤其是在承受荷载状态下的水平变形能力很重要。为了确保水平变形能力,可以增加橡胶的层数,即加厚橡胶层。但是,竖向的支承力(屈曲荷载)会降低,水平刚度的轴力相关性会变大。也就是说可以通过选择不同的形状,制作出各种具有不同特性的叠层橡胶支座。在选择支座形状时,对第1形状系数和第2形状系数的分析研究是很重要的,特别是第2形状系数对叠层橡胶支座的稳定性有很大的影响。

第1形状系数:单层橡胶受钢板约束的面积与自由表面积之比(在橡胶领域被单称为形状系数),与竖向刚度和稳定性有关。

第2形状系数:橡胶直径与橡胶层总厚度之比(设计隔震结构所用叠层橡胶支座的系数),与承载能力、水平刚度有关。

由于天然橡胶支座的阻尼较低,且金属铅具有良好的力学性能,常用来作为抗风和消能装置,在天然橡胶支座中开孔灌入铅芯可形成具有初始刚度和高阻尼特性的铅芯橡胶支座。

叠层橡胶支座受压时,由于橡胶层的侧向鼓出受到钢板的约束,使其具有很大的轴压承载力和很大的竖向刚度,通常竖向受压刚度简化为线弹性刚度来计算。叠层橡胶支座受拉承载力通过夹层钢板和橡胶层间的紧密粘结来保证。叠层橡胶支座轴拉破坏分成弹性拉伸阶段、非弹性拉伸阶段和拉伸破坏三个阶段。通常叠层橡胶支座的抗拉能力较低,为了保证叠层橡胶支座正常的工作性能,隔震设计时必须保证其受拉时处于弹性变形之内。

              

1-11  天然叠层橡胶支座力-位移曲线  图1-12  铅芯叠层橡胶支座力-位移曲线

天然橡胶支座的阻尼及水平刚度较低,通常将水平剪切刚度简化为线性刚度,其力-位移关系见图1-11,图中为天然橡胶支座的有效水平刚度。铅芯橡胶支座的水平特性可看成由铅芯的弹塑性特性(屈服后水平刚度为零)和天然橡胶支座的水平刚度特性并联而成,通常简化为双线性刚度特性,屈

2)滑动型隔震支座

滑板支座分为刚滑动型和弹性滑动型两种。除滑动面呈球面时,支座有恢复力外,支座基本上不具有恢复力性能,多数要与叠层橡胶支座共用。刚滑动型多用于楼梯间等荷载较小的部分。弹性滑动支座是在叠层橡胶支座的下部,固定滑动材料,利用叠层橡胶支座的形状和材质,调整竖向刚度和滑动的开始位移。为了调整强度和摩擦系数,滑动材料一般使用混合了各种填充材料的PTFE(聚四氟乙烯)。滑动面使用不锈钢(SUS316,304等)或表面电镀树脂,摩擦系数受滑动材料滑动面的相对平行度,以及表面粗糙程度的影响,前者是0.08~0.12,后者是0.02~0.05。滑动材料和滑动面的不同组合,使滑动特性产生变化,且各种相关性也不用,因此使用时要做充分的性能评估。

3)滚动型隔震支座

滚动隔震支座中,有的利用直动轴承,也有的在平面上配置钢球。摩擦系数都在1/1000左右。虽然滚动隔震支座有一定的应用,但只有一些特定装置的试验数据,因此,现阶段还很难阐明它的一般特性。


阻尼器

隔震结构遭遇地震时,地震输入的能量部分转化为隔震支座的弹性应变能,主要部分则被阻尼器的弹塑性应变能和粘性能吸收。阻尼器的作用是减少地震时产生的位移反应,最终吸收所有地震输入的能量。

初期的隔震结构中,多数采用钢或铅材料的阻尼器,后来又出现了摩擦型阻尼器和粘弹性体阻尼器。现在还兼具阻尼器功能的隔震支座,这种复合型的隔震支座还要求具有荷载支承能力。但与隔震支座分离的阻尼器,基本上不需要具有荷载支承能力。

从工作原理方面考虑,与隔震支座组合使用的阻尼器可以分为以下几类:

(1)滞回衰减型:钢棒阻尼器,铅阻尼器,摩擦阻尼器等,主要利用变形滞回消耗能量。

(2)粘性衰减型:粘弹性阻尼器,油阻尼器等,主要利用与速度有关的粘性体的抵抗作用。

滞回衰减型阻尼器利用钢材或铅的塑性变形,可以通过比较简单的机构来获取必要的阻尼力。恢复力特性根据材料的特性而变化,软钢阻尼器的滞回形态呈平滑的纺锤型。弹塑性型使用的材料是自古以来就在建筑中使用的钢材,或在自然界中性质最稳定的铅,这些材料在耐久性方面没有问题,维护也很简单。摩擦阻尼器了利用原型弹簧等,在接触摩擦面施加一定的作用力,一边支持着建筑物的荷载,一边通过摩擦吸收能量(例如弹性滑板支座)。它们的恢复力特性与完全刚塑性型相近。这类阻尼器摩擦面的耐久性和摩擦力(摩擦系数)的相关性必须要加以注意。

粘性衰减型阻尼器分为利用活塞油缸结构和流体抵抗的油阻尼器,以及利用粘性体剪切变形的粘性体阻尼器。这种阻尼器的阻尼力大约是速度的级数,恢复力特性呈平滑椭圆形,对于控制楼层反应是有利的。