帶新型抗風拉索高層隔震結(jié)構(gòu)抗風與隔震性能探究

王思琪

摘 要：本文主要是提出一種由灰鑄鐵與鋼絲繩組成的新型串聯(lián)型抗風拉索。該種結(jié)構(gòu)可有效運用于高層防震結(jié)構(gòu)中，不僅對風荷載作用下的橡膠支座抗風能力進行有效提升，同時還可實現(xiàn)鉛芯橡膠支座數(shù)量的有效減少?？癸L拉索退出工作的現(xiàn)象長期存在于地震作用力下，上述技術(shù)可實現(xiàn)對等效水平剛度的有效減少，最終實現(xiàn)隔震層與抗風性能協(xié)調(diào)的目標。這不僅對高層隔震結(jié)構(gòu)的建設(shè)有促進作用，同時對社會經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。

關(guān)鍵詞：高層隔震結(jié)構(gòu)；抗風拉索；抗風性能；隔震性能

在實際對隔震結(jié)構(gòu)隔震層進行布置時，多數(shù)方法是通過增加鉛芯橡膠記支座等方法來實現(xiàn)，這不僅對相關(guān)技術(shù)要求進行滿足，同時可對抵抗風荷載的力量進行有效加大。從風雅壓較大的地區(qū)高層隔震結(jié)構(gòu)角度來說，在實際進行抗風設(shè)計時不僅要加大鉛芯橡膠支座的抗風承載力，還要對隔震支座水平高度以及減震系數(shù)設(shè)計目標進行有效減少，這兩者之間存在一定的矛盾。為對上述現(xiàn)象進行解決，部分學者提出全新的技術(shù)與抗風裝置，這對有效的解決高層隔震結(jié)構(gòu)以及抗風穩(wěn)定性的矛盾有促進作用。

一、新型串聯(lián)型抗風拉索的工作原理及構(gòu)造

新型的串聯(lián)型抗風拉索裝置是在提高抗風承載力與鉛芯疊層橡膠支座的基礎(chǔ)上進行，灰鑄鐵以及鋼絲層是其重要組成部分，主要運用串聯(lián)的方式對上述材料進行結(jié)構(gòu)連接。三段式串聯(lián)組裝的抗風拉鎖裝置不僅可以有效解決抗風穩(wěn)定性問題，還可實現(xiàn)對剛度需求的有效滿足。柔軟性是綱絲繩軸向的顯著特征與缺陷，因此并不能實現(xiàn)對壓力的有效承受。在實際進行工作時，只能向軸周傳遞拉力，這對受拉性能進行直觀體現(xiàn)。剛度較強是灰鑄鐵的顯著優(yōu)勢也與特征，同時其具有非常高的抗壓強度，但抗拉強度卻存在一定的缺陷。在實際進行連接時我們采取的是串聯(lián)的方式，所以灰鑄鐵構(gòu)件只能實現(xiàn)對其抗拉性能的有效體現(xiàn)，但抗壓強度會受到一定的破壞。我們將兩種材料的力學特性以及串聯(lián)連接進行綜合分析，得出的結(jié)果表示新型抗風拉索軸向受力體現(xiàn)為單純受拉特性。

從風荷載作用力角度來看，抗風拉索協(xié)同鉛芯橡膠支座的抗風承載力是在減少鉛芯橡膠支座數(shù)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，同時抗風拉索的拉力小于其強度，可長時間的保持彈性工作。這是鉛芯橡膠支座減少的有效作用。在遇到地震作用力的情況下，灰鑄鐵中向拉力會呈現(xiàn)出一個極限狀態(tài)，最終導致串聯(lián)體系斷開連接，抗風拉鎖不能實現(xiàn)繼續(xù)工作。為在真正意義上實現(xiàn)整個高層隔震結(jié)構(gòu)的隔振性能提高，必須隔震層的等效水平高剛度有效減少，同時保持隔震支座對隔振性能的有效發(fā)揮。

二、工程概況和隔震結(jié)構(gòu)分析模型

1.工程概況

該高層結(jié)構(gòu)為新疆喀什地區(qū)的某辦公樓，結(jié)構(gòu)形式采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑類別為丙類建筑，建筑總高度74m，地上28層（包括隔震層）。隔震層層高1.6m，1、2層層高5.5m，3～26層層高2.9m，27層層高4.5m。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，主要設(shè)計依據(jù)：

（1）場地土為中硬場地土，場地類別Ⅱ類，設(shè)計地震分組第三組；

（2）基本風壓按50年一遇采用，取0.55kN/m2，地面粗糙度B類；

（3）區(qū)域抗震基本烈度8度，設(shè)計基本地震加速度0.3g。隔震目標：擬通過采用隔震技術(shù)，使結(jié)構(gòu)在當?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度（8度（0.3g））下，上部結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施降低1度（7度（0.15g））設(shè)計，即使隔震后的水平向減震系數(shù)β≤0.4。

2.隔震結(jié)構(gòu)分析模型

采用ETABS對該高層隔震建筑進行有限元建模，上部結(jié)構(gòu)采用彈性模型和剛性隔板假定，取地下室頂部為嵌固端，梁和柱采用框架單元，墻采用殼單元，樓板采用膜單元，隔震支座考慮拉壓剛度不等，采用Isolator1和Gap單元并聯(lián)方式模擬拉壓剛度非線性，隔震支座豎向拉壓剛度比取值為1/7。

三、帶抗風拉索高層隔震結(jié)構(gòu)風荷載作用和地震作用反應分析

由于進行隔震設(shè)計后的結(jié)構(gòu)基本周期的延長主要依賴于隔震層具有較小的等效水平剛度，一般認為水平剛度越小，隔震性能越好。隔震方案1的有可能滿足減震系數(shù)β≤0.4的設(shè)計目標，但有限元軟件ETABS的隔震分析結(jié)果顯示，這個方案按彈性計算所得的樓層剪力減震系數(shù)（7條地震波計算的平均值）的最大比值出現(xiàn)在Y向地震波作用下的14層，具體比值為0.406>0.4；而樓層傾覆力矩減震系數(shù)（7條地震波計算的平均值）的最大比值出現(xiàn)在Y向地震波作用下的3層，具體比值為0.430>0.4。

在隔震方案的最初設(shè)計階段，只依賴鉛芯橡膠支座提供抗風承載力，使隔震層的等效水平剛度最小的隔震方案1也不能達到減震系數(shù)β≤0.4的設(shè)計目標。產(chǎn)生這種矛盾的主要原因是在于在高風壓高層結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計中，出于隔震層抗風承載力的設(shè)計要求，需要大量的鉛芯橡膠支座來提供抗風承載力，而鉛芯橡膠支座的Keq（水平剪切應變100%時的等效水平剛度）往往比較大，會很大程度地影響隔震結(jié)構(gòu)的整體隔震效果，使得隔震方案設(shè)計要滿足目標減震系數(shù)成為了問題。

為了實現(xiàn)抗風拉索在風荷載作用下抗風、地震作用下達到抗拉極限承載力而拉斷退出工作，抗風拉索的抗拉極限承載力設(shè)計需要滿足下式：γWVW

由于抗風拉索中鑄鐵構(gòu)件屬于強度較低的部分，而鋼絲繩的公稱抗拉強度一般可以達到1570～1960MPa的量級，在串聯(lián)系統(tǒng)中，當組成系統(tǒng)的任意單元失效，則系統(tǒng)就失去設(shè)計的功能。選取牌號為HT350的灰鑄鐵的屈服強度和抗拉強度作為串聯(lián)體系抗風拉索的屈服強度和抗拉強度，鋼絲繩的主要作用為連接與傳遞軸向拉力，鋼絲繩選取6×19S+IWR型。

四、結(jié)論

通過對分別設(shè)置了WRC+ISO抗風方案和ISO抗風方案的高層隔震結(jié)構(gòu)進行風荷載作用下與水平地震作用下的對比分析，可以得出新型串聯(lián)型抗風拉索具有以下工作性能特點：

（1）風荷載作用時，協(xié)助鉛芯橡膠支座提供抗風承載力，從而減少鉛芯支座個數(shù)；地震作用時，拉索退出工作，減小隔震層水平等效剛度，有利于進一步延長高層隔震結(jié)構(gòu)周期、優(yōu)化隔震效果、降低減震系數(shù)。

（2）風荷載作用下，抗風拉索拉力遠小于極限拉力設(shè)計值，抗風拉索抵抗水平風荷載具有足夠的安全儲備；多遇地震作用下，抗風拉索在每條地震波作用下的拉力響應包絡值遠大于其極限拉力，保證多遇地震或以上強度地震作用下風拉索拉斷而退出工作的機制。

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