高層建筑抗拉隔震支座國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

劉思聰，溫留漢·黑沙，張 迪

(廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東 廣州 510405）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，高層及超高層建筑頻頻出現(xiàn)。基底隔震是一種簡(jiǎn)單有效的減震技術(shù)，已被廣泛用于各種中低層建筑中，并取得了良好的減震效果。近年來，這一技術(shù)又被逐步推廣應(yīng)用于高層及超高層建筑中[1]。

由于高層及超高層建筑的水平地震力產(chǎn)生的傾覆力矩較大，在強(qiáng)地震動(dòng)作用下，橡膠隔震支座容易出現(xiàn)受拉現(xiàn)象。在強(qiáng)地震動(dòng)作用下，大高寬比結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生明顯的顛簸和晃動(dòng)[2]，從而會(huì)使得橡膠隔震支座的受拉現(xiàn)象更加明顯。

當(dāng)橡膠隔震支座受軸向拉伸時(shí)，雖然從外觀上看并無太大損傷，但其內(nèi)部容易形成負(fù)壓狀態(tài)而產(chǎn)生許多空孔。研究表明，橡膠隔震支座經(jīng)較大受拉變形后再受壓，其豎向受壓剛度降低為初期剛度的1/2左右[3]，并且在拉應(yīng)力達(dá)到1.5～3.0 MPa時(shí)支座抗拉剛度會(huì)急劇下降[4]，表現(xiàn)出雙線性特征[5]。

1 現(xiàn)行橡膠隔震支座無法承受拉力的解決對(duì)策

我國(guó) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)明確要求隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力，即使出現(xiàn)拉應(yīng)力也應(yīng)控制在1 Mpa以下[6]。隔震支座出現(xiàn)受拉，最根本的成因是，地震引起的拉力超過了隔震支座所承受的結(jié)構(gòu)自重。因此可以通過下列方法解決隔震支座受拉不足的問題：

（1）增大隔震支座所承受的重力荷載范圍。

（2）減小地震作用引起的拉力。

（3）采用抗拉能力高的隔震支座。

途徑（1）可以通過合理布置上部結(jié)構(gòu)及隔震支座實(shí)現(xiàn)，途徑（2）可以通過限制結(jié)構(gòu)的高寬比實(shí)現(xiàn)，途徑（3）可以通過研制開發(fā)具有抗拉功能的橡膠隔震支座實(shí)現(xiàn)。如何處理基礎(chǔ)隔震技術(shù)在高層和超高層建筑應(yīng)用中容易出現(xiàn)受拉和傾覆的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

竹中工務(wù)店和普利司通共同開發(fā)了適用于高層建筑的橡膠隔震支座。該支座特點(diǎn)是，在橡膠材料中添加碳素等可以改進(jìn)橡膠支座性能的原料，使支座的承載力、硬度、壓縮變形和抗拉強(qiáng)度大幅度提高[7]。這種高強(qiáng)橡膠隔震支座適用于建筑物高寬比3～6，高度60～150 m的高層建筑。由日本能源株式會(huì)社和三井株式會(huì)社共同投資興建，竹中工務(wù)店設(shè)計(jì)、施工建造的東京杉并花園城，建筑總層數(shù)為30層（地上28層，塔屋2層），高度為93.1 m，在其結(jié)構(gòu)隔震層的四周布置了16個(gè)高強(qiáng)橡膠隔震支座[1]。

竹中工務(wù)店、THK株式會(huì)社和三菱制鋼株式會(huì)社合作開發(fā)了新產(chǎn)品——直線式滑動(dòng)支座[8]（如圖1）。它采用兩組梯形截面的軌道組成十字形滑軌支座，通過連接兩組軌道的連接件抵抗支座受到的拉力。直線式滑動(dòng)支座具有很大的豎向抗拉壓能力，最大抗壓能力可達(dá)45 000 kN，最大抗拉能力可達(dá)18 000 kN。大阪DT辦公樓（地下4層，地上27層，最大高度是130 m）是超高層建筑中使用直線式滑動(dòng)支座隔震的第一個(gè)工程實(shí)例[1]。

圖1 直線式滑動(dòng)支座[8]Fig.1 Linear sliding bearing

此外，日本學(xué)者也提出了多種新型的三維隔震裝置來解決橡膠隔震支座抗拉能力不足的問題。Seitaro Ogiso等[9]提出的三維隔震裝置由兩部分組成，分別是用作水平隔震的鉛芯橡膠隔震支座和用作豎向隔震的金屬波紋管。研究表明，傾斜設(shè)置隔震系統(tǒng)，使水平和豎向剛度充分獨(dú)立能有效地減小傾覆效應(yīng)。Akihiro Kashiwazaki等[10]提出的隔震裝置由3部分組成，分別是連接著裝有壓縮氣體附加部件的承載液壓缸、抗傾覆氣缸和橡膠隔震支座。其中承載液壓缸與抗傾覆氣缸是串聯(lián)的，支座放置于兩者下面。試驗(yàn)證明這種隔震裝置可以較好地應(yīng)用于核電廠結(jié)構(gòu)的隔震當(dāng)中。Kageyama等[11]提出一種由纜索增強(qiáng)空氣彈簧、防搖擺構(gòu)件和阻尼器組成的三維基礎(chǔ)隔震裝置，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)及應(yīng)用于四層框架結(jié)構(gòu)的三維隔震試驗(yàn)，試驗(yàn)證明這種隔震裝置具有較好的豎向抗拉性能。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

祁皚等[12]、魏錕[13]都提出了通過添加鋼筋提高橡膠隔震支座抗拉性能的方法，見圖2和圖3。兩者的不同之處在于，前者將抗拉鋼筋連接在隔震體系的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間，后者將抗拉鋼筋直接安裝在橡膠隔震支座的上下封板之間。

由廣州大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作，顏學(xué)淵等人提出了三種三維抗傾覆支座，并申請(qǐng)了三個(gè)國(guó)家實(shí)用型專利。這些支座同時(shí)具備三維隔震功能和抗傾覆功能，解決豎向隔震問題的同時(shí)也解決了高寬比限值的問題。這三種支座分別是厚橡膠層三維隔震抗傾覆支座（實(shí)物及剖面圖見圖4）、環(huán)形彈簧三維隔震抗傾覆支座和碟形彈簧三維隔震抗傾覆支座 （后兩種支座的實(shí)物及剖面圖見圖5），它們都是由上下兩部分子構(gòu)件串聯(lián)而成，上部子構(gòu)件是添加了鋼絲繩的橡膠隔震支座，下部子構(gòu)件是具備豎向隔震功能的裝置。試驗(yàn)表明，添加鋼絲繩確實(shí)能夠提高支座的抗拉能力[14]。

圖2 祁皚隔震結(jié)構(gòu)抗拉模型[12]Fig.2 Tensile model of isolation structure by QI Ai

圖3 魏錕隔震支座抗拉模型[13]Fig.3 Tensile model of isolation bearing by WEI Kun

圖4 厚橡膠層三維隔震抗傾覆支座[14]Fig.4 Thick rubber 3D-BIORD

針對(duì)大高寬比結(jié)構(gòu)的傾覆問題，王鐵英等人設(shè)計(jì)了一種水平向剛度近似為零、豎向有耗能能力的抗傾覆裝置[15]（圖6）。其組成部分有：豎向耗能裝置、限位保護(hù)裝置、水平滑動(dòng)動(dòng)摩擦裝置和豎向拉結(jié)裝置。試驗(yàn)表明，該裝置能有效降低結(jié)構(gòu)的拉伸位移和結(jié)構(gòu)傾覆的可能性。

圖5 彈簧三維隔震抗傾覆支座[14]Fig.5 Disk spring 3D-BIORD

圖6 抗傾覆裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖[15]Fig.6 Constitution figure of resist-overturning equipment

針對(duì)鉛芯橡膠支座抗拉能力差，韓強(qiáng)等人提出了一種抗拉預(yù)應(yīng)力橡膠隔震支座[16]（圖7），并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。抗拉預(yù)應(yīng)力橡膠隔震支座是利用橡膠隔震支座抗壓承載力大來彌補(bǔ)抗拉能力不足，其具體做法是：將張拉后的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固在支座上、下連接板內(nèi)的錨具上，使在承受使用荷載前，對(duì)支座預(yù)先施加壓應(yīng)力，從而形成抗拉預(yù)應(yīng)力橡膠隔震支座。

圖7 抗拉預(yù)應(yīng)力橡膠隔震支座[16]Fig.7 Tensile prestress rubber isolation bearing

李紹文針對(duì)橡膠隔震支座受拉問題，提出了剛性抗拉支座（圖8a）和柔性抗拉支座（圖8b）兩種設(shè)計(jì)方案[17]。剛性抗拉支座主要由橡膠隔震支座、連接板和抗拉限位裝置組成，其中抗拉限位裝置由上、下抗拉擋板組成，下抗拉擋板與橡膠支座相連，上抗拉擋板與外套筒相連。柔性抗拉支座主要由橡膠隔震支座、碟形彈簧、導(dǎo)桿和連接板組成，其中橡膠隔震支座和碟形彈簧是串聯(lián)關(guān)

圖8 抗拉支座設(shè)計(jì)方案[17]Fig.8 The designs of tensile-resistant bearing

王學(xué)慶提出了一種適用于高層建筑結(jié)構(gòu)的新型隔震裝置——形狀記憶合金（SMA）-疊層橡膠支座[18]（圖9）。SMA-疊層橡膠支座是在普通疊層橡膠支座的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將SMA絲束合理布置在普通疊層橡膠支座的四周，使支座同時(shí)具有多維隔震和抗拉抗拔性能。

圖9 SMA-疊層橡膠支座[18]Fig.9 SMA-Laminted rubber bearing

針對(duì)疊層橡膠隔震支座抗拉性能遠(yuǎn)小于抗壓性能這一不足，蘇鍵在研究疊層橡膠隔震支座力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，提出了一種新型抗拉減隔震裝置，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。新型抗拉減隔震裝置利用疊層橡膠隔震支座的抗壓能力來承受隔震層的拉力，示意圖見圖10。研究表明，新型抗拉減隔震裝置可以提高隔震層的抗拉能力，減少隔震層的豎向位移[19]。

4 結(jié)語(yǔ)

圖10 新型抗拉減隔震裝置構(gòu)造示意圖[19]Fig.10 Constitution figure of TRDLRB

對(duì)于各種隔震支座的抗拉問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了較多研究，然而仍有一些問題需要進(jìn)一步深入研究。

造價(jià)是制約隔震技術(shù)推廣的主要因素之一，對(duì)于抗拉隔震支座此問題同樣存在，能否以 （或低于）傳統(tǒng)隔震支座的造價(jià)達(dá)到提高隔震支座抗拉性能的效果決定著抗拉隔震支座的發(fā)展前景。

目前，針對(duì)抗拉隔震支座的研究主要集中于理論方案上，試驗(yàn)研究也相對(duì)較少，而在實(shí)際工程中的應(yīng)用幾乎沒有?？偟膩碚f，人們比較普遍關(guān)心的是實(shí)際工程中強(qiáng)震作用下抗拉隔震支座的工作性能如何。

隨著城市建筑向高層及超高層發(fā)展，研究、開發(fā)及應(yīng)用抗拉隔震支座是必然的趨勢(shì)。

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