近斷層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)軟碰撞限位裝置研究

周 楊 張亮泉 毛晨曦

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國地震局工程力學(xué)研究所,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

自然界之中所發(fā)生的地震具有極強(qiáng)的破壞性以及發(fā)生時(shí)間短暫的特點(diǎn)。通常情況之下所發(fā)生的較大地震往往會(huì)造成地面建筑物的大規(guī)模性的破壞，從而造成地面的交通以及通訊等設(shè)施出現(xiàn)中斷。因此在這種情況之下所誕生的隔震技術(shù)在地震方面優(yōu)秀的表現(xiàn)得到了社會(huì)界上的肯定性認(rèn)可。通常情況之下在地震的作用之下就會(huì)造成隔震層發(fā)生相應(yīng)的位移性變換，此時(shí)在上部的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的加速度在相對(duì)應(yīng)的情況之下減弱1/5～1/3。可以使結(jié)構(gòu)滿足“大震不壞”或只發(fā)生輕微破壞，從而保證人員安全，降低經(jīng)濟(jì)損失。

1 隔震限位裝置國內(nèi)與國外現(xiàn)狀

1.1 隔震限位裝置國外的研究現(xiàn)狀

通過對(duì)近些年的所發(fā)生的大地震當(dāng)中，無論是給自然界還是給地面的建筑物、橋梁以及人員等造成了重大的損失傷害。在這些地震中，破壞最嚴(yán)重的都是近斷層地震，因?yàn)槠溆兄胀ǖ卣鸩煌奶卣鱗1]。在謝禮立[2]相關(guān)的研究過程中明確的得出，在近斷層所發(fā)生的地震當(dāng)中會(huì)受到長周期性的脈沖的作用，在這種情況之下就會(huì)造成隔震結(jié)構(gòu)這種類型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)面性影響。通過大量的分析，對(duì)近斷層地震下的隔震方案的設(shè)計(jì)提出了建議，具有實(shí)用價(jià)值，并提出了保護(hù)方案。

1.2 隔震限位裝置國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

在近些年的發(fā)展過程當(dāng)中，我國先進(jìn)的隔震技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，它能夠在小震過程中做到減震作用，但是如果出現(xiàn)在近斷層地段，此時(shí)就造成隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的損害。在本文之中所探索的主要是如何才能夠保護(hù)隔震結(jié)構(gòu)并且做出相應(yīng)的方案——軟碰撞限位方案。這種方案是指當(dāng)出現(xiàn)較大的地震又或者出現(xiàn)近斷層地震的時(shí)候，此時(shí)的隔震層在地震環(huán)境之下就會(huì)與限位裝置發(fā)生相對(duì)應(yīng)的摩擦碰撞，此種方式能夠有效的保障隔震結(jié)構(gòu)以及上部結(jié)構(gòu)之間相互的安全和使用性能。軟碰撞限位器主要參數(shù)有:預(yù)留距離d，限位器剛度k和限位器阻尼c。

韓淼[3]在其文獻(xiàn)之中第一次提出了關(guān)于對(duì)隔震層設(shè)置緩沖限位裝置作為第二道防線的隔震保護(hù)措施，并給出了左、右產(chǎn)生碰撞時(shí)的動(dòng)力方程和計(jì)算機(jī)分析程序，并提出了如何選取緩沖限位器的方法。李仙華[4]則是主要從能量的角度方面進(jìn)行分析最終得出了粘彈性緩沖限位器所產(chǎn)生的對(duì)結(jié)構(gòu)地震的影響，并且與此同時(shí)還提出了相應(yīng)的通過采取增大阻尼以及減小相互之間所預(yù)留的距離手段和對(duì)限位器的剛度進(jìn)行增加的方式，最終方便結(jié)構(gòu)輸入能的減小等。王秀梅[5]在試驗(yàn)的過程當(dāng)中通過設(shè)計(jì)了三種相關(guān)的限位組合方式，并且進(jìn)一步的將基礎(chǔ)隔震模型實(shí)施了相關(guān)的振動(dòng)臺(tái)方面的實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果當(dāng)中得出了軟碰撞限位方案能夠有效的將發(fā)生地震時(shí)所產(chǎn)生的隔震層位移限定在一定的范圍之內(nèi)，同時(shí)，增大了結(jié)構(gòu)上層反應(yīng)。

還有很多學(xué)者對(duì)于限位裝置做了研究，提出了一些限位方案。從而能夠使得我國在隔震方面得到了較為長期性的進(jìn)步與發(fā)展，在當(dāng)前的情況之下我國現(xiàn)如今已經(jīng)采取了相應(yīng)的隔震結(jié)構(gòu)措施。以唐家祥[6]、周錫元[7]等眾多在隔震方面做出較大貢獻(xiàn)的較為優(yōu)秀學(xué)者當(dāng)中，時(shí)常性的舉行面談關(guān)于進(jìn)一步的發(fā)展隔震技術(shù)進(jìn)行了深入性的探究，并且通過一次次的理論討論與實(shí)踐相互結(jié)合的方式進(jìn)行探究之后，最終形成我國隔震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)限位裝置的原理

當(dāng)出現(xiàn)近斷層地震情況，這種情況之下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)所遭受影響的位移會(huì)比遠(yuǎn)震的要大，并且在這種情況之下此時(shí)還會(huì)造成結(jié)構(gòu)方面?zhèn)葍A以及失穩(wěn)等。軟碰撞限位器主要參數(shù)有:預(yù)留距離d，限位器剛度k及限位器阻尼c。消能限位裝置的特點(diǎn)是限位裝置隨隔震層的變形而變形，通過變形耗能，從而將結(jié)構(gòu)位移限制在要求的范圍內(nèi)。但其增加的隔震結(jié)構(gòu)的初始剛度，使得地震過程中隔震層的剪力明顯增大，隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果持續(xù)減弱，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較明顯的不利影響。

固定限位裝置是指在距離建筑物隔震層一定距離的地方安裝限制位移增加的構(gòu)件，在受到大地震的時(shí)候，結(jié)構(gòu)通常是不會(huì)和限位裝置接觸的，從而保證了結(jié)構(gòu)在地震下的隔震效果。然而當(dāng)?shù)卣疠^大時(shí)，結(jié)構(gòu)位移也隨之增大，隔震裝置會(huì)與限位器發(fā)生接觸。在這種情況之下的限位裝置所產(chǎn)生的變形以及阻尼等就會(huì)與隔震裝置相互的結(jié)合在一起，此時(shí)在地震作用之下就會(huì)使得與隔震層一起變形，最終能夠確保隔震結(jié)構(gòu)具有安全性能。

3 隔震結(jié)構(gòu)限位裝置分析方法

在現(xiàn)如今的發(fā)展階段之中，每一個(gè)國家就關(guān)于抗震方面相關(guān)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中都是將地震反應(yīng)譜法作為一種最為基礎(chǔ)性的方法。反應(yīng)譜法則主要是將結(jié)構(gòu)動(dòng)力與地震的動(dòng)特性等相互的結(jié)合在一起，并且以統(tǒng)計(jì)分析作為基礎(chǔ)，從而能夠得出不同類型的地震波。其具有運(yùn)動(dòng)性強(qiáng)，操作簡單等特點(diǎn)。

4 隔震結(jié)構(gòu)限位裝置設(shè)計(jì)方法

在《抗震規(guī)范》的相關(guān)的概念之中尤為重視隔震結(jié)構(gòu)方面相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，并且此時(shí)會(huì)比普通類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加的重視，在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候一般采取的都是時(shí)程分析方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。但對(duì)于一些較特殊的上部結(jié)構(gòu)，比如框架結(jié)構(gòu)及一些砌體結(jié)構(gòu)，可利用簡化分析法來計(jì)算。

在隔震結(jié)構(gòu)當(dāng)中所產(chǎn)生的效果是與水平方向方面的剛度有相當(dāng)?shù)年P(guān)系，如果在此情況之下想要獲得更好的隔震性效果，就需要將所受到影響的水平方向的剛度盡可能取小，但是在這種情況之下就會(huì)造成水平方向發(fā)生較大的位移。因此當(dāng)我們?cè)趯?duì)隔震方面進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的過程時(shí)就需要將這兩者之間相互的制約性充分的考慮進(jìn)去，并且在此情況之下不僅僅要完成上部結(jié)構(gòu)方面的減震，還需要保障隔震層所發(fā)生的位移不能夠超過較大的范圍之內(nèi)。因此在對(duì)隔震層進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中就需要對(duì)水平減震系數(shù)以及隔震層位移系數(shù)等兩個(gè)方面的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。影響限位器參數(shù)的有三個(gè)，預(yù)留距離d、限位器剛度k及限位阻尼c。這三個(gè)參數(shù)的配置，將直接影響到限位裝置的自身性能及軟碰撞限位效果。

5 結(jié)語

在經(jīng)過對(duì)軟碰撞限位方案進(jìn)行深層次的研究之后得出：

1)軟碰撞限位是通過一定的預(yù)留距離的軟碰撞來實(shí)現(xiàn)隔震結(jié)構(gòu)限位的，主要采取的方式則是通過對(duì)上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的增加最終對(duì)隔震層的位移產(chǎn)生影響使得其產(chǎn)生較小的位移現(xiàn)象。2)軟碰撞限位是在一定預(yù)留距離下添加的限位器，并不影響原結(jié)構(gòu)初始的隔震性能。3)根據(jù)地震波的特點(diǎn)不同，限位所需要的軟碰撞剛度或粘滯阻尼各不相同，當(dāng)限位距離相同時(shí)，地震波應(yīng)考慮裝置剛度和粘滯阻尼。4)軟碰撞限位與阻尼限位的構(gòu)造和性能不同，通過兩者結(jié)合使用，提高隔震結(jié)構(gòu)的限位性能，降低限位方案的成本。5)以往的方法都是在水平方向增加限位裝置，是否可以通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從水平方向和豎直方向均增加約束，減少隔震層的水平位移。

[1] 葉 昆,李 黎.LRB基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在近斷層脈沖型地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究[J].工程抗震與加固改造,2009,31(2):32-38,42.

[2] 謝禮立.地震動(dòng)反應(yīng)譜的長周期特性[J].地震工程與工程振動(dòng),1990(1):1-20.

[3] 韓 淼.建筑隔震體系與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析方法及工程應(yīng)用[J].國際地震動(dòng)態(tài),2000(10):14-16.

[4] 李仙華，韓 淼.基礎(chǔ)隔震層軟碰撞限位實(shí)驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2008(S1):124-128.

[5] 王秀梅，韓 淼.基礎(chǔ)隔震層軟碰撞限位試驗(yàn)研究[J].工程抗震與加固改造,2005(3):70-72,29.

[6] 唐家祥.建筑隔震與消能減震設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué),2002(1):21-27,44.

[7] 周錫元,閻維明,楊潤林.建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002(2):2-12,26.