摘 要:随着社会的发展,高层以及超高层建筑越来越多,城市里更是高楼林立,高层建筑的抗震就显得越来越重要,尤其是那些地震频发的国家和地区,更是投入了更多了人力物力进行研究,其目的是为了减轻由地震带来生命和财产损失.目前,世界上已经有许多隔震方法比较成熟,广泛应用于国内外的高层以及超高层建筑当中.本文对目前高层建筑的基础隔震技术进行综述,讲述了高层建筑基础隔震的研究现状以及对高层建筑的基础隔震技术的应用与展望.
关键词:基础隔震; 隔震体系; 应用;
我国西南部地处两大火山地震带之一的地中海-喜马拉雅山地震带上,因而地震频发,尤其是四川等地,因此高层房屋的良好的抗震性能就显得尤为重要.近年来我国也一直在致力于这方面的研究,取得了很大的进展,对减轻由地震造成的生命以及财产损失有着十分重要的意义.目前,全世界都在进行相关研究,本文总结了当前抗震的研究现状.
1 基础隔震的概述
1.1 基础隔震的工作原理
基础隔震结构体系就是指在结构的底部与基础面之间设置某种隔震装置而形成的结构体系,主要包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分.这种隔震结构能使上部结构在基础面上柔性滑动,能够有效的延长结构的自振周期,有效地降低了结构的加速度反应,从而能够达到减小上部结构的地震响应的目的(1).其中隔震装置是隔震支座和阻尼器等装置,并且隔震支座需要足够的承载能力,变形性能以及复位特性,而阻尼器消耗了地震对结构输入的能量.两者相结合达到隔震的目的.
1.2 基础隔震的能量分析
从能量角度分析,隔震装置的刚度比较低,使结构柔度增加,自振周期延长,从而减小了地震动的响应.对于传统的结构,当小震时结构处于弹性变形阶段,而中震、大震时结构进入弹塑性阶段.地震的能量主要由结构构件的塑性变形来消耗,因此震后结构构件会普遍出现裂缝.而在基础隔震结构中,隔震装置将先于上部结构进入到塑性阶段,此时大量吸收或隔离地震能量,上部结构会做近似刚体的水平运动,保持弹性或者不进入明显的塑性状态,因此上部结构不会发生严重破坏.
2 基础隔震的研究现状
2.1 橡胶隔震体系
橡胶隔震支座是目前国内研究最多,应用比较成熟的一种隔震装置.传统橡胶隔震支座主要分为标准叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座和高阻尼橡胶支座三种.
2.1.1 标准叠层橡胶支座
叠层橡胶隔震支座由下预埋板、支座、上预埋板和连接螺栓等组成.其核心部分是支座,由上下连接板及橡胶层组成,支座是由多层橡胶和多层钢板或者其他材料交替叠置结合而成,是一种竖向承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值较大的装置(2).
2.1.2 铅芯叠层橡胶支座
铅芯叠层橡胶支座是在普通叠层橡胶支座的中心插入铅芯,以改善橡胶支座阻尼性能.铅芯叠层橡胶支座除能承受结构的重力和水平力外,铅芯产生的滞后阻尼的塑性变形还能吸收能量,并可通过橡胶提供水平恢复力.
2.1.3 高阻尼橡胶支座
高阻尼橡胶支座与天然橡胶支座类似,不同之处在于,在天然橡胶和合成橡胶的橡胶聚合物中,加入添加剂、补强剂、可塑剂、硫化剂等配合物,制成高阻尼橡胶支座,从而使其不仅具备了天然橡胶支座的水平以及竖向性能,同时还具有较强的阻尼性能(2).因为其综合了弹簧和阻尼器功能,因此设计时可以不必在隔震层安装其他阻尼器,高阻尼橡胶隔震支座代替了传统隔震结构所采用的隔震支座加阻尼器的结构形式,使隔震层的结构布置简单规则.
2.2 滑动摩擦隔震体系
滑动隔震支座也是一种常见的基础隔震体系,主要原理是当结构受到比较小的地面激励时,摩擦力会阻止上部结构滑动,从而使结构保持稳定;而当地面激励超过某一限值时,隔震层地震作用将超过摩擦力,滑动面将开始滑动,发挥隔震作用(3).此时即使地面激励再增大,传入上部结构的地震作用也不会随之增大.
2.3 钢筋沥青复合隔震体系
钢筋沥青复合隔震体系的原理是在房屋底圈梁与基础之间设置隔震层,隔震层包括上、下圈梁,沥青,砖墩,水平隔震钢筋四个部分.竖向钢筋作为主要受力构件,承受上部荷载.利用钢筋沥青隔震层中竖向钢筋的水平弹性刚度相对于竖向弹性刚度小的多的特性,保证隔震层的竖向承载力较大,水平刚度较小,延长结构的自振周期,从而获得较好的隔震效果(2).
2.4 摩擦摆隔震体系
根据几何构造的不同,摩擦摆隔震体系可以分为曲面式、沟槽式、曲面沟槽混合式摩擦摆隔震支座三类.摩擦摆隔震系统的工作原理是将滑块置于凹形曲面的底盘中,当地震作用来临时,滑块将滑至凹形曲面的高处,会消耗地震能量,同时由于上部结构的自身重力荷载作用,滑块将会自动向低处滑动,实现自动复位的功能(2).为使顶板始终保持平衡,滑块上部设计为曲面,摩擦摆隔震装置的复位能力的大小取决于底盘曲面的曲率以及支座的刚度.隔震系统的周期和刚度可以通过选取合适的曲率半径进行控制,阻尼由动摩擦系数来控制.
2.5 组合隔震体系
最常用的组合隔震体系是由叠层橡胶隔震支座和滑动摩擦隔震支座并联组成,基本原理是系统中的叠层橡胶隔震支座提供系统的向心恢复力,而滑动摩擦隔震支座滞回耗能,隔离地震.这样既解决了橡胶支座对于长周期水平振动存在共振危险性的难题,也改善了纯滑移摩擦隔震系统的复位问题,近年来得到了国内外的广泛应用(2).
3 基础隔震的应用
3.1 东京杉并花园城
东京杉并花园城位于东京都杉并区,于1998年6月动工,2000年10月完工,由一幢超高层建筑和三幢低层建筑组成,其主体部分共30层,高度为93.1m,是日本当时应用基础隔震技术的最高的建筑物.采用了隔震支座和阻尼器协同工作的基础隔震体系,其中隔震支座采用的是高强橡胶支座和普通橡胶支座两种,减震阻尼器采用的是U型铅阻尼器.普通橡胶支座采用层合技术,由薄橡胶胶片和薄钢板间层重叠而成,这种橡胶支座在竖直方向的刚度很大,能承受很大的竖向荷载;支座在水平方向的柔度很大,使得建筑物的周期延长,能够有效地将地震作用同上部建筑隔离开,减缓地震作用来临时上部建筑物的运动(4).高强橡胶支座通过在橡胶中加入碳和一些其它材料,提高了橡胶支座的硬度和强度.高强橡胶支座一般布置在结构物的四周,以抵抗地震作用时引起的柱子拔力.U型铅阻尼器布置在地基梁上,作用是迅速减小结构的振动.
3.2 日本仙台森大厦
日本仙台森大厦于1997年3月动工兴建,1999年3月竣工.上部结构的弹性固有周期为2秒左右.当时隔震构造主要是用于固有周期在1秒以下的中层和低层建筑物中,在长周期的建筑物中使用隔震构造,还未曾有过先例.设计师将上部结构的固有周期,恢复力特性和隔震层的恢复力特性结合起来,进行了高层隔震建筑地震反应分析.分析结果表明,只要能够确定隔震层的恢复力特性,即使是长周期的建筑物,也可以获得很好的隔震效果.大厦采用"层压橡胶支座"与"弹性滑动支座"并用的构造.设计是按在设计风荷载的作用下不会出现滑动,但是在强烈地震来袭时会发生滑动的条件来设置滑动支座的(5).这样既可以充分发挥钢筋混凝土结构在强风作用下摇摆变形小的特点,又可以发挥隔震结构在地震作用时上部结构的反应内力及反应变形都很小的特点.
4 基础隔震技术未来的发展与展望
随着建筑理念的发展,高层建筑也将会更加具有综合性.因此,也就对结构的灵活性以及适应性提出了更高的要求.例如目前在工程中已经实际应用的巨型框架结构和巨型桁架结构体系(6).
参考文献
[](1)闫汝浩,杨景运.结构隔震体系研究进展[J].经济·管理·综述,2018,(30):217
[](2)尚守平,崔向龙.基础隔震研究与应用的新进展及问题[J].广西大学学报(自然科学版),2016,41(1):21-28.
[](3)朱宏平,周方圆,袁涌.建筑隔震结构研究进展与分析[J].工程力学,2014,31(3):1-10
[](4)何永超,邓长根,曾康康.日本高层建筑基础隔震技术的开发和应用[J].工业建筑,2002,32(5):29-31
[](5)李传林,郭子雄.建筑结构隔震技术在日本的应用与发展[J].基建优化,2006,27(5):104-110
[](6)吴鑫旖,曲连宇,曹宇.高层建筑防震技术发展现状及展望[J].科技创新导报,2006,(2):76-77