層間隔震結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

(武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430070)

在上部結(jié)構(gòu)某兩層間設(shè)置的隔震措施被稱為層間隔震，是一種新興的結(jié)動(dòng)振動(dòng)被動(dòng)控制技術(shù)，尤其適合豎向剛度有突變的混合結(jié)構(gòu)，可以有效的減輕鞭鞘效應(yīng)。國內(nèi)外的學(xué)者很早就開展了關(guān)于層間隔震結(jié)構(gòu)的研究，主要集中在結(jié)構(gòu)減震機(jī)理、隔震層參數(shù)優(yōu)化、易損性分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，取得了喜人的成果。

一、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

徐忠根[1]等對(duì)一在二層與三層間采用層間隔震措施的大型公用建筑進(jìn)行了動(dòng)力特性與地震響應(yīng)的分析，結(jié)果表明，由于隔震層較小的剛度，結(jié)構(gòu)的基本周期得到了顯著地延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間剪力和層間位移響應(yīng)都受到明顯抑制，下部結(jié)構(gòu)減少了約三分之一，上部結(jié)構(gòu)減震高達(dá)95%。

趙昕[2]采用自定義組合單元來模擬層間隔震結(jié)構(gòu)有限元模型中的隔震支座，并且通過靜力作用下隔震結(jié)構(gòu)內(nèi)力應(yīng)與無隔震結(jié)構(gòu)一致以及隔震結(jié)構(gòu)水平變形以應(yīng)隔震層位移為主兩個(gè)方面對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果皆符合預(yù)期。

祁皚[3]綜合介紹了層間隔震的工作性質(zhì)、獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用范圍等方面對(duì)層間隔震技術(shù)進(jìn)行評(píng)述，提出了幾點(diǎn)需深入研究的難題：包括高階振型的參與作用、鞭鞘效應(yīng)的處理，豎向地震的影響、隔震層的限位措施等。

高強(qiáng)[4]等應(yīng)用有限元軟件SAP2000，對(duì)四層處設(shè)置隔震層的層間隔震6層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了push-over與時(shí)程分析，對(duì)比兩種分析的結(jié)果表明，兩者的位移響應(yīng)十分接近，表明push-over分析結(jié)果可以準(zhǔn)確的反應(yīng)層間隔震結(jié)構(gòu)的減震性能優(yōu)劣。

周福霖[5]建立了層間隔震結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)模型，提出了基底剪力最小的優(yōu)化目標(biāo)，并且對(duì)于層間隔震的不同工作模式下的阻尼比的優(yōu)化提出了建議，當(dāng)其減震機(jī)理類似 TMD和基礎(chǔ)隔震時(shí)，存在最優(yōu)阻尼比。減震效果隨著隔震層位置的降低而變好，但下部結(jié)構(gòu)的加速卻有可能產(chǎn)生一定程度的放大。

張穎[6]對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)兩質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了能量分析，主要研究了地震能量譜輸入時(shí)其能量在結(jié)構(gòu)中的傳遞與消耗。結(jié)果表明：對(duì)于隔震層以上結(jié)構(gòu)，通過降低隔震頻率來實(shí)現(xiàn)降低其響應(yīng)，但此措施對(duì)整體減震的收效甚微。增大隔震層阻尼可以降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，但當(dāng)阻尼增大到一定的水平后，繼續(xù)增大阻尼，上部結(jié)構(gòu)的減震效果愈發(fā)不明顯。

二、國外研究現(xiàn)狀

M Murakami[7]對(duì)一采用層間隔震技術(shù)14層大底盤的建筑進(jìn)行了地震響應(yīng)時(shí)程分析，驗(yàn)證了通過在下部商城與上部公寓與寫字樓之間設(shè)置隔震層，可以有效的降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

Yasuhiro Tsuneki[8]指出，一般結(jié)構(gòu)為保持整體結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度的一致通常采用一種結(jié)構(gòu)形式，在高層建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置層間隔震層，上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用減小，因此可以采用與下部不同的結(jié)構(gòu)形式，不同的結(jié)構(gòu)形式使建筑設(shè)計(jì)更加自由靈活，因此在層間隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)上下結(jié)構(gòu)剛度比、質(zhì)量比加以考慮。

M.Kobayashi[9]對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特征值分析與與隨機(jī)振動(dòng)分析，求出了頻響函數(shù)。得出使層間隔震結(jié)構(gòu)上部反應(yīng)放大的原因主要是因?yàn)槟B(tài)耦合，模態(tài)耦合是由于隔震層未變形的模態(tài)造成的。

M.Kohiyama[10]運(yùn)用復(fù)模態(tài)疊加法與頻響函數(shù)法推導(dǎo)了層間隔震結(jié)構(gòu)在白噪聲激勵(lì)下的層間位移與加速度響應(yīng)，將公式計(jì)算結(jié)果與時(shí)程分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了公式的有效性。

Shiang-Jung Wang[11-12]等建立了層間隔震結(jié)構(gòu)的三質(zhì)點(diǎn)模型，得出了上下子結(jié)構(gòu)的頻率與隔震結(jié)構(gòu)的基本頻率和等效粘滯阻尼比的關(guān)系，表明隔震層以下結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量等參數(shù)的影響比隔震層以上結(jié)構(gòu)的影響更大。通過反應(yīng)譜分析與地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得出高階模態(tài)的影響不可忽略，且高階模態(tài)的耦合會(huì)放大上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)的結(jié)論。

迄今為止中外學(xué)者們對(duì)層間隔震研究已經(jīng)取得了豐碩的成果。但是上述許多學(xué)者都有指出，層間隔震結(jié)構(gòu)在減少上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)的同時(shí)，下部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)有可能會(huì)放大的現(xiàn)象，且隨著隔震層位置的升高，隔震效果越差，因此針對(duì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選擇合適的隔震層剛度與阻尼等參數(shù)，或者選擇恰當(dāng)?shù)纳舷陆Y(jié)構(gòu)頻率比就是問題的關(guān)鍵所在。