新型隔震支座抗拉裝置的研究*

許　強(qiáng)，呂志超，黨　育（蘭州理工大學(xué)土木學(xué)院，甘肅蘭州730050）

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新型隔震支座抗拉裝置的研究*

許強(qiáng)，呂志超，黨育
（蘭州理工大學(xué)土木學(xué)院，甘肅蘭州730050）

摘要：為了解決疊層橡膠支座的抗拉能力低的問(wèn)題，對(duì)一種新型疊層橡膠隔震支座抗拉裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，給出了該抗拉裝置的構(gòu)造及尺寸，并提出了該裝置的力-變形關(guān)系，通過(guò)有限元軟件etabs模擬該裝置，并采用時(shí)程分析，在一個(gè)實(shí)際的13層隔震結(jié)構(gòu)中分析對(duì)比了使用抗拉裝置和未使用抗拉裝置的情況，結(jié)果表明該裝置可有效減小隔震支座的受拉破壞。

關(guān)鍵詞：抗拉裝置；疊層橡膠支座；高層隔震結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過(guò)在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置隔震裝置，延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的自振周期，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，達(dá)到預(yù)期的減震要求[1]。目前最常用的隔震裝置是疊層橡膠支座。疊層橡膠支座是由鋼板和橡膠經(jīng)過(guò)硫化作用壓制而成，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，疊層橡膠支座受拉后，內(nèi)部橡膠受到提離而產(chǎn)生許多空孔，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到1.5～3.0Mpa時(shí)，支座的抗拉剛度會(huì)急劇下降。并且當(dāng)支座受拉后再次壓縮時(shí)，支座的受壓剛度降低至原剛度的1/2左右[2]。說(shuō)明支座受拉后會(huì)產(chǎn)生較大損傷，嚴(yán)重影響支座的力學(xué)性能。疊層橡膠支座的這一特點(diǎn)，制約了隔震技術(shù)在高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。因?yàn)樵诟邔咏ㄖ呢Q向地震作用和水平地震作用引起的傾覆力矩都較大，若采用疊層橡膠支座進(jìn)行隔震，支座很可能會(huì)出現(xiàn)拉力而破壞。因此，要將隔震技術(shù)推廣至高層建筑，解決支座的抗拉性能是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。

目前對(duì)于隔震抗拉裝置，已有一些研究。陶軒潔等人[3]提出了一種萬(wàn)向鉸抗拉隔震支座，剛性拉桿通過(guò)萬(wàn)向鉸固定在上下連接板上，承擔(dān)傾覆力矩等產(chǎn)生的拉力，抗拉擋板限制環(huán)形翼緣的豎向位移，防止支座失穩(wěn)。蘇鍵等人[4]提出一種新型疊層橡膠隔震支座抗拉機(jī)構(gòu)，該裝置用三個(gè)疊層橡膠支座并聯(lián)，通過(guò)懸挑裝置將拉力轉(zhuǎn)換成壓力，防止支座受拉。但抗拉裝置的構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，且力學(xué)性能不夠明確。

因此，本文對(duì)一種新型疊層橡膠支座抗拉裝置進(jìn)行模擬分析，并對(duì)該裝置進(jìn)行力學(xué)性能研究和分析，結(jié)果表明，該裝置可有效減小疊層橡膠支座的受拉破壞。

1　新型疊層橡膠支座抗拉裝置的構(gòu)造及力學(xué)性能

1.1新型疊層橡膠支座抗拉裝置的原理及構(gòu)造

一種新型疊層橡膠隔震抗拉裝置的構(gòu)造如圖1所示。該裝置通常與疊層橡膠支座并聯(lián)使用。在長(zhǎng)期荷載和地震作用下，在無(wú)拉力的情況下，僅疊層橡膠支座受力，抗拉支座并不受力，只有在疊層橡膠支座受拉時(shí)，抗拉裝置才起作用。

該裝置由下連接鋼板和豎向板兩部分組成，豎向板錨固在梁上。豎向隔板開(kāi)縫，使下連接鋼板可穿過(guò)豎向隔板。當(dāng)隔震支座受壓會(huì)發(fā)生微小的壓縮，此時(shí)抗拉裝置與隔震支座分離，僅隔震支座受力，抗拉裝置不受力。當(dāng)隔震支座受拉時(shí)，抗拉裝置與支座同時(shí)受拉。由于抗拉裝置的受拉剛度遠(yuǎn)大于疊層橡膠支座的剛度，故拉力大部分由抗拉裝置承擔(dān)，這樣可保護(hù)橡膠支座不發(fā)生受拉破壞。而在水平地震作用下，抗拉裝置與隔震支座不能發(fā)生相互碰撞，為保證支座的水平地震作用下，抗拉裝置還能抗拉，上下鋼板之間的搭接長(zhǎng)度也應(yīng)滿足要求。通常，疊層橡膠支座的容許位移為0.55D，D為隔震支座直徑。圖中a為0.55D，D為隔震支座直徑。

圖1　抗拉裝置構(gòu)造

1.2新型疊層橡膠支座抗拉裝置的力學(xué)性能及數(shù)值模擬

由前所述，抗拉裝置僅承受拉力，不承受壓力及剪力，其力-變形關(guān)系可寫(xiě)為：

當(dāng)d=d0時(shí)，

當(dāng)d＜d0時(shí)

式中：d0為上下連接鋼板之間的縫間距。

式（1）表示，當(dāng)拉伸變形d小于縫間距時(shí)，抗拉支座不受力。當(dāng)拉伸變形d增加至與縫間距相同時(shí)，抗拉裝置的上下連接鋼板接觸，并限制橡膠支座受拉，抗拉支座開(kāi)始起作用。

該抗拉支座的數(shù)值模擬采用有限元分析軟件etabs?？紤]到上述的力學(xué)性能，采用非線性單元hook模擬該裝置。因?yàn)閔ook單元是不承受壓力，僅承受拉力，但hook單元的拉力為彈簧，而本文研究的抗拉裝置抗拉剛度近似于無(wú)窮大，因此，設(shè)置hook單元的豎向抗拉剛度為一個(gè)非常大的值，本文取為10倍的疊層橡膠支座抗壓剛度，同時(shí)不考慮疊層橡膠支座的豎向壓縮變形，取hook單元的鉤間距為0。

2　算例及分析

2.1工程實(shí)例

一棟13層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。每個(gè)柱下布置一個(gè)隔震支座，隔震支座平面布置如圖2所示，其中1所示為1號(hào)隔震支座。疊層橡膠支座參數(shù)見(jiàn)表2。同時(shí)考慮到橡膠支座受拉，在結(jié)構(gòu)四角布置抗拉裝置，圖中空心圓圈表示疊層橡膠支座未加抗拉裝置，實(shí)心圓表示疊層橡膠支座加抗拉裝置。

地震加速度采用El Centro地震波，加速度峰值為510gal。

圖2　隔震支座平面布置

表1　結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2　疊層橡膠支座的參數(shù)

2.2計(jì)算分析

2.2.1支座受拉分析

圖3為1號(hào)隔震支座的豎向位移時(shí)程曲線，其中虛線為未布置抗拉裝置時(shí)，1號(hào)支座的豎向位移時(shí)程，實(shí)線表示布置抗拉裝置時(shí)，1號(hào)支座的豎向位移時(shí)程?？煽闯?，當(dāng)未布置抗拉裝置時(shí)，角部隔震支座的豎向變形達(dá)到了12mm，遠(yuǎn)大于支座的彈性變形。而布置抗拉裝置后，支座的豎向受拉變形幾乎為零，說(shuō)明抗拉裝置限制了隔震支座的豎向變形，充分保護(hù)了隔震支座的受拉破壞。

圖3　1號(hào)支座的豎向位移時(shí)程曲線

2.2.2上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

圖4（a），圖4（b），圖4（c）分別對(duì)比了未布置抗拉裝置和有抗拉裝置時(shí)，上部結(jié)構(gòu)各層的最大加速度，最大豎向加速度和最大層間轉(zhuǎn)角。

從圖4可看出，采用抗拉裝置后，除1,2層外，上部結(jié)構(gòu)的水平加速度反應(yīng)與未設(shè)置抗拉裝置時(shí)基本相同，層間相對(duì)轉(zhuǎn)角略小，但豎向加速度明顯要小，這主要是因?yàn)榭估b置限制了結(jié)構(gòu)的豎向變形，減少了因結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)在水平方向產(chǎn)生的位移。

圖4　設(shè)置抗拉裝置與未設(shè)置抗拉裝置的上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比

3　結(jié)論

本文對(duì)一種新型疊層橡膠支座抗拉裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，給出了該抗拉裝置的力-變形關(guān)系，并采用有限元分析軟件etabs對(duì)該抗拉支座進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)在一個(gè)實(shí)際的13層框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置該抗拉裝置，動(dòng)力時(shí)程分析表明，當(dāng)未布置抗拉裝置時(shí)，角部隔震支座的豎向變形達(dá)到了12mm，遠(yuǎn)大于支座的彈性變形。而布置抗拉裝置后，支座的豎向受拉變形幾乎為零，說(shuō)明抗拉裝置限制了隔震支座的豎向變形，充分保護(hù)了隔震支座的受拉破壞。同時(shí)，采用抗拉裝置后，除1,2層外，與未設(shè)置抗拉裝置時(shí)相比，上部結(jié)構(gòu)的水平加速度反應(yīng)基本相同，層間相對(duì)轉(zhuǎn)角略有減小，而豎向加速度明顯減小，原因是抗拉裝置限制了結(jié)構(gòu)的豎向變形，減少了因結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)在水平方向產(chǎn)生的位移。說(shuō)明此抗拉裝置可有效避免隔震支座的受拉破壞，同時(shí)還可適當(dāng)減小上部結(jié)構(gòu)層間轉(zhuǎn)角，可達(dá)到預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨育,杜永峰,李慧.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南[M].北京:水利水電出版社,2007.

[2]日本免震構(gòu)造協(xié)會(huì).圖解隔震結(jié)構(gòu)入門(mén)[M].葉列平譯.北京:科學(xué)出版社,1998.

[3]劉思聰,溫留漢·黑沙,張迪.高層建筑抗拉隔震支座國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].華南地震,2014,34(1):75-79.

[4]蘇鍵,溫留漢·黑沙,周福霖.新型疊層橡膠隔震支座抗拉機(jī)構(gòu)研究[J].工業(yè)建筑,2010,40(12):43-46.

*基金項(xiàng)目：甘肅省財(cái)政廳項(xiàng)目，蘭州理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

中圖分類號(hào)：TU973.31