試述一種新型球形隔震裝置

許嘉輝

摘 要 在地震作用中隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相比具有更好的性能。本文介紹了隔震原理和隔震裝置。通過(guò)把握隔震技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)隔震中的豎向地震問(wèn)題做了相應(yīng)的闡述和總結(jié)。結(jié)合不倒翁模型，提出一種新型的球形隔震裝置，試圖同時(shí)解決水平和豎向地震作用。

關(guān)鍵詞 基礎(chǔ)隔震; 隔震裝置;豎向地震;球形隔震裝置

1隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)比較

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)是結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生較大變形的情況下不倒塌，把重點(diǎn)放在提高結(jié)構(gòu)的延性上，并希望將塑性變形分散到整個(gè)結(jié)構(gòu)中，由建筑結(jié)構(gòu)整體吸收地震輸入能量。而實(shí)際上，建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)大多取決于地震動(dòng)特性，很難使塑性變形平均分散到各層，通常嚴(yán)重的損壞較多集中在特定層，并且很難在地震前明確。與此相反，由于隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)前提是隔震層集中地震變形，人為引導(dǎo)薄弱層，是一種簡(jiǎn)潔明了的結(jié)構(gòu)形式[1]。

隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)只相當(dāng)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的1/4～1/12;隔震為主、減震為輔，如25層結(jié)構(gòu)隔震費(fèi)用約為減震費(fèi)用的1/2，效果則是減震的2倍;80%地震能量由隔震結(jié)構(gòu)吸收較為理想;要有必要的結(jié)構(gòu)措施避免隔震受拉，這有益于提高隔震介質(zhì)（如橡膠）的使用性能;速度反應(yīng)譜和加速度反應(yīng)譜是相同的物理概念，但在長(zhǎng)周期下，速度反應(yīng)譜更易于區(qū)分;隔減震設(shè)計(jì)要和建筑聯(lián)系起來(lái)，確保必要的建筑措施來(lái)使隔減震結(jié)構(gòu)有充足的變形空間[2]。

2隔震原理及隔震裝置

隔震層中設(shè)置隔震支座和阻尼器等隔震裝置，其中隔震支座能穩(wěn)定持續(xù)地支承建筑物重量、追隨建筑物的水平變形，并且具有適當(dāng)?shù)膹椥曰謴?fù)力，而阻尼器能夠由于吸收地震輸入的能量。因此，地震輸入的能量部分轉(zhuǎn)化為隔震支座的彈性應(yīng)變能，主要部分則被阻尼器的彈塑性應(yīng)變能和粘性能吸收。

應(yīng)用最廣泛的隔震支座是疊成橡膠支座，它是鋼板和橡膠的組合，利用鋼板的高承載力以及橡膠的大變形來(lái)實(shí)現(xiàn)隔震層的運(yùn)作。此外，還有滑動(dòng)支座及滾動(dòng)支座等。

阻尼器則主要分為兩種：一是位移型，利用鋼、鉛等金屬的塑性變形能量和庫(kù)侖摩擦力能量，例如滯回型阻尼器;二是速度型，利用油、黏性流體和黏彈性體的黏性，例如黏性阻尼器[3]。

3關(guān)鍵問(wèn)題及現(xiàn)有解決方式

隔震技術(shù)是從減少地震作用到減少地震作用的同時(shí)具有一定復(fù)位功能發(fā)展。前者強(qiáng)調(diào)安全性，后者強(qiáng)調(diào)安全性的同時(shí)兼顧適用性。然而，現(xiàn)有的隔震體系對(duì)豎向地震作用的減震效果并理想。廣泛使用的橡膠隔震支座和摩擦隔震元件對(duì)豎向地震作用起不到減震作用。在高烈度區(qū)豎向地震影響很大，并且當(dāng)水平地震作用通過(guò)隔震層明顯降低后，豎向地震作用的比重將顯著增加。

由于隔震支座要支撐建筑物的重量，且常態(tài)時(shí)（不發(fā)生地震）要有較好的穩(wěn)定性，故其豎向的剛度比較大，其變形不會(huì)很大，否則適用性太差。豎向地震作用下隔震層和建筑物的相對(duì)位移不會(huì)太大，達(dá)不到水平地震作用下隔震層的明顯效果。即使增加很多的豎向阻尼器，其吸收的地震能量也很有限，這也不是隔震初衷，反倒更像減震的范疇。因此隔震層很難減小結(jié)構(gòu)的豎向地震作用。目前解決問(wèn)題的思路大體是考慮組合系統(tǒng)來(lái)吸收豎向地震能量，例如，減隔震技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，基礎(chǔ)隔震的同時(shí)上部結(jié)構(gòu)減震。

4新型球形隔震裝置

隔震的目的在于保證建筑物不破壞的前提下消耗掉地震能量，不倒翁在晃動(dòng)過(guò)程中自身保持不倒、不壞，若能建立一個(gè)不倒翁似的房子實(shí)現(xiàn)在地震中不倒、不壞，那便能實(shí)現(xiàn)我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

不倒翁結(jié)構(gòu)結(jié)合隔震思路，提出如圖1所示球形隔震裝置。

圖1 球形隔震裝置示意圖圖2 地震作用下結(jié)構(gòu)位移示意圖

基礎(chǔ)水平隔震仍由現(xiàn)有水平隔震層來(lái)實(shí)現(xiàn)，而豎向隔震則由類似于不倒翁結(jié)構(gòu)的球形阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，水平隔震層與球形阻尼下部連接，當(dāng)豎向地震作用到來(lái)，由下部球面和上部球面產(chǎn)生相對(duì)位移，在下部球面和上部球面之間加上類似油類黏滯阻尼即可吸收豎向地震能量，如圖2所示。因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)實(shí)際和下部球面相連接，而上部球面與結(jié)構(gòu)是脫開的，所以利用上部結(jié)構(gòu)的重量可以在下部球面旋轉(zhuǎn)后再自行恢復(fù)到原位置，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自恢復(fù)性[4]。

該裝置還存在不少關(guān)鍵問(wèn)題需要繼續(xù)探討，例如，上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配問(wèn)題，結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)幅度問(wèn)題，以及裝置的具體尺寸設(shè)置問(wèn)題等。以上僅是初步的概念模型。

5結(jié)束語(yǔ)

隔震結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其受力更明確、破壞更可控，人為引導(dǎo)地震破壞位置有利于保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全;隔震層中主要設(shè)置有隔震支座和阻尼器，前者主要用于持續(xù)穩(wěn)定地支撐建筑物的重量，或者主要用于耗能;高烈度地區(qū)的豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響明顯，特別是水平地震作用通過(guò)隔震減少后，豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞更是不能忽視;[2]本文基于不倒翁原理，提出一種球形隔震裝置概念模型，意圖同時(shí)減少水平地震作用和豎向地震作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉文光.隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：地震出版社，2006，58.

[2] 蘇經(jīng)宇，曾德民.我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].地震工程與工程振動(dòng)，2001，21（S1）：94-101.

[3] 中日聯(lián)合考察團(tuán)，周福霖，崔鴻超，等.[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，（4）：1-20.[4]林建芳.國(guó)內(nèi)外隔震技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].科技資訊，2008（20）：8-9..

[5] 郭子雄，李傳林.建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)在日本的應(yīng)用與發(fā)展[J].基建優(yōu)化，2006，27（5）：104-107.