國內(nèi)外基礎(chǔ)滑移隔震研究與應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

吳延輝 李玉榮 陳翠翠

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001)

0 引言

所謂隔震，就是在建筑上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間加設(shè)隔震層的抗震方法，其將地震作用下結(jié)構(gòu)的變形集中于隔震層，有效避開地震卓越周期，隔斷地震能量直接向上部結(jié)構(gòu)傳遞，并且通過塑性變形和阻尼耗散能量。有效降低上部結(jié)構(gòu)最大加速度和層間位移，大大降低地震響應(yīng)，使建筑物即使在超設(shè)防烈度地震作用下，依然有足夠安全儲(chǔ)備保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。按隔震層構(gòu)造不同主要可分為疊層橡膠墊隔震和滑移隔震。滑移隔震由于施工簡單、取材容易、造價(jià)低廉、性價(jià)比高，特別適合我國國情［1］。

1 滑移隔震結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

滑移隔震結(jié)構(gòu)自1881年由日本學(xué)者河合浩藏提出以來，歷經(jīng)美國、日本、中國、新西蘭、法國等多國學(xué)者研究創(chuàng)新，現(xiàn)已日趨完善。研究工作主要集中于滑移隔震裝置和計(jì)算理論分析兩個(gè)方面。

1．1 基礎(chǔ)滑移隔震裝置

滑移隔震裝置作為結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑移隔震最關(guān)鍵的部分，主要由兩部分組成:滑移支承材料和限位消能元件。

1．1．1 滑移隔震支承元件

滑移隔震材料主要有:砂墊層(精選砂礫)、石墨墊層(石墨泥膏)、鋼珠、聚四氟乙烯、石蠟、滑石粉、不銹鋼板、帶二硫化鉬涂層的鋼板、云母等。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)滑移材料的隔震性能進(jìn)行了大量的研究。在這方面的研究，一方面是隔震材料在不同參數(shù)影響下的隔震效果;另一方面是研究新型滑移隔震支承元件。國內(nèi)學(xué)者對(duì)砂墊層和石墨研究較多，國外學(xué)者Constantinous［2］研究了聚四氟乙烯在基礎(chǔ)滑移隔震結(jié)構(gòu)中的隔震性能，通過試驗(yàn)得出結(jié)論，摩擦系數(shù)與滑移位移無關(guān)，與滑移速度有關(guān)，且滑動(dòng)前后有突變。Ismail［3］研究了一種新型隔震裝置(Roll-N-Cage，RNC)，集隔震、耗能、緩沖和復(fù)位裝置于一體，同時(shí)還具有抗風(fēng)、抗傾覆的功能，如圖1所示。尚守平［4］研究一種新型滑移隔震裝置，具有施工簡單、便于維護(hù)保養(yǎng)、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高的特點(diǎn)，并通過模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)得出其減震效果可達(dá)到40%～60%，這種隔震裝置適合我國農(nóng)村實(shí)際情況。對(duì)于支承元件長期使用后的材料老化問題和固結(jié)問題，以及反復(fù)循環(huán)的耐久性問題、耐腐蝕問題，尚沒有可靠數(shù)據(jù)加以分析。

圖1 套筒式滑移隔震支座（一）

1．1．2 限位消能元件

限位消能元件主要有:疊層橡膠墊、鋼彈簧、U形鋼片、柔性鋼棒、碟形彈簧、鋼螺旋彈簧［5］。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)新型限位消能元件進(jìn)行了大量研究。韓淼等［5］在研究限位裝置與耗能裝置的基礎(chǔ)上研究了一種新型混合限位消能裝置，如圖2所示。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，此裝置具有良好的限位功能，能有效降低殘余位移，而且還有很好的耗能作用。文獻(xiàn)［6］綜合介紹耗能裝置在日本的研究成果，包括能量吸收性能、變形能力、最大抵抗力、耐久性溫度相關(guān)性、密度相關(guān)性、極限性能，值得參考。限位消能裝置在設(shè)計(jì)過程中要注意到以下問題:工程造價(jià)、變形性能、復(fù)位能力、耗能性能、耐久性、產(chǎn)品質(zhì)量偏差等問題。為解決以上問題，需要適合批量化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化生產(chǎn)的新型隔震裝置。

圖2 套筒式滑移隔震支座（二）

1．2 基礎(chǔ)滑移隔震系統(tǒng)與模型

基礎(chǔ)摩擦滑移隔震系統(tǒng)主要有摩擦基底隔震系統(tǒng)(FPS)、法國電力基底摩擦滑移隔震系統(tǒng)(EDF)、彈性恢復(fù)力—摩擦滑移隔震系統(tǒng)(R-FBI)、滑移摩擦力—摩擦隔震系統(tǒng)(SR-F)等。摩擦基底隔震系統(tǒng)(FPS)在1986年由Zayas［7］提出，通過摩擦耗能減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，降低上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。經(jīng)過完善，與彈性復(fù)位裝置并聯(lián)和并聯(lián)分別形成EDF系統(tǒng)、R-FBI系統(tǒng)，兩者組合應(yīng)用又形成了SR-F系統(tǒng)。周錫元等對(duì)摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)的串并聯(lián)體系進(jìn)行了分析對(duì)比，探討了兩種體系地震反應(yīng)的基本特征，給出了參數(shù)搭配和優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，為砌體結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)提供了可靠參考依據(jù)。

基礎(chǔ)滑移隔震模型主要有剛體模型、單自由度等代體模型、二自由度等代體模型、多自由度等代體模型等。為了提高模型模擬精度，簡化計(jì)算方法，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探究探索。毛利軍，李愛群［8］根據(jù)振型分解理論探討了滑移隔震結(jié)構(gòu)雙自由度簡化模型分析參數(shù)質(zhì)量比的取值，給出了質(zhì)量比在統(tǒng)計(jì)意義上的最優(yōu)值，為建立精度更高的雙自由度簡化模型提供了參考。文獻(xiàn)［9］提出了連續(xù)的指數(shù)模型來描述摩擦力，既能反映摩擦力特性，又能簡化計(jì)算機(jī)程序的編制。摩擦力的具體表達(dá)式為:

N——摩擦表接觸面的正壓力;

a，b，d——正常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定;

α——大數(shù)，一般大于100;

tanh(·)——雙曲正切函數(shù)。

1．3 基礎(chǔ)滑移隔震計(jì)算分析理論研究

自隔震理論在20世紀(jì)70年代以被動(dòng)控制理論出現(xiàn)并被學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可至今的40多年里，為實(shí)現(xiàn)滑移隔震技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量計(jì)算分析理論研究和探索。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑移隔震結(jié)構(gòu)的滑移量、時(shí)程響應(yīng)、抗傾覆、多維地震力耦合作用等方向進(jìn)行了深入研究。熊仲明等根據(jù)隔震體系的匹配關(guān)系及滑移量的測定實(shí)驗(yàn)得出了一種簡化計(jì)算基底最大滑移位移量的計(jì)算方法，并通過試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比說明了此方法的可行性。Jangid R S研究了滑移隔震結(jié)構(gòu)在雙向水平地面諧波同時(shí)作用下的時(shí)程響應(yīng)，用Newmark迭代法以增量的形式解出滑移隔震結(jié)構(gòu)在雙向地震耦合作用下的運(yùn)動(dòng)微分方程，通過計(jì)算單向水平作用進(jìn)行比較，認(rèn)為用雙向耦合地震作用更準(zhǔn)確而且是很重要的。李黎等［10］通過動(dòng)力時(shí)程分析研究了不同地震烈度、不同結(jié)構(gòu)基本周期、不同場地類別及復(fù)位向心結(jié)構(gòu)對(duì)滑移位移的影響。

2 滑移隔震結(jié)構(gòu)發(fā)展展望

滑移隔震自出現(xiàn)至今，雖說理論研究方面取得了很多成果，但實(shí)現(xiàn)推廣普及還面臨一些關(guān)鍵性問題需要解決。

2．1 新型滑移隔震裝置

普遍應(yīng)用的滑移隔震支座，如砂墊層、石墨墊層、聚四氟乙烯等等，大都存在復(fù)位功能的缺點(diǎn)，而與疊層橡膠墊、阻尼器配合使用，雖說能控制位移，但是存在造價(jià)較高，配合比難控制、施工復(fù)雜的缺點(diǎn)，而且豎向地震作用不能降低。

2．2 隔震研究領(lǐng)域的拓展

目前，滑移隔震主要應(yīng)用于砌體與框架結(jié)構(gòu)、生命線工程、橋梁工程、大型儲(chǔ)存容器的抗震設(shè)計(jì)。應(yīng)用領(lǐng)域還沒有發(fā)散，其優(yōu)良的防震減災(zāi)性能還沒有被完全開發(fā)。將來，可以研究其在壩體工程、海洋工程、通信基站以及非構(gòu)筑物的建設(shè)中的應(yīng)用，使其能滿足特定工作環(huán)境、新型領(lǐng)域的要求。

2．3 規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化

GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中“隔震和消能減震設(shè)計(jì)”一章介紹了隔震設(shè)計(jì)的一般規(guī)定、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、構(gòu)造措施要求等，但是對(duì)滑移隔震的施工、維護(hù)以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，沒有明確說明。參照既有傳統(tǒng)抗震規(guī)范，完善滑移隔震規(guī)范，促進(jìn)隔震支座標(biāo)準(zhǔn)化和批量化生產(chǎn)，降低造價(jià)，實(shí)現(xiàn)推廣普及。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加速，人口密度呈膨脹性加大，要想保證人的生命和財(cái)產(chǎn)安全，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，建筑物僅僅滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。傳統(tǒng)的依靠增加結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度、變形能力的抗震設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足社會(huì)的需要?；聘粽鸺夹g(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全、有效的減震方法，應(yīng)該被重視，被大力地推廣普及。

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