新型抗拉裝置在大高寬比隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文／唐曄明 菏澤市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 山東菏澤 274000

引言：

提高建筑工程的抗震能力具有重要意義，不僅可以減小地震對(duì)建筑工程的影響，也可以減少地震中的人員傷亡。而隔震技術(shù)是十分高效的減震措施，可有效提升建筑工程的抗震性能，在建筑工程中的應(yīng)用十分廣泛。但在高烈度區(qū)高層隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用傳統(tǒng)的隔震裝置會(huì)出現(xiàn)支座拉應(yīng)力超限等問(wèn)題，為此需要將隔震支座與新型滑軌式抗拉裝置結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化大高寬比隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。

1、新型抗拉裝置與隔震技術(shù)概述

1.1 新型抗拉裝置

新型滑軌式抗拉裝置主要是由上和下法蘭板、抗拉構(gòu)件以及導(dǎo)軌共同構(gòu)成的（如圖1所示），其中抗拉構(gòu)件包括滑槽、限位器、T型倒扣以及下部連接件等部分，T型倒扣與限位器之間是相連的，滑槽與T型倒扣也是相連的[1]。在正常情況下，滑軌式抗拉裝置可以自由向下移動(dòng)，從而協(xié)調(diào)隔震支座出現(xiàn)的壓縮變形情況。若滑軌式抗拉裝置向上提拉且回歸到初始位置時(shí)，限位器就會(huì)限制其位移，從而達(dá)到抗拉這一目的。同時(shí)，滑軌式抗拉裝置的上導(dǎo)軌與下導(dǎo)軌是相互垂直的，且抗拉構(gòu)件會(huì)沿著兩個(gè)導(dǎo)軌滑動(dòng)，不會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的豎向減震性能以及水平減震性能產(chǎn)生影響。如果隔震層出現(xiàn)拉力，抗拉裝置就會(huì)承擔(dān)一部分拉力。

圖1 新型滑軌式抗拉裝置

1.2 隔震技術(shù)

地震是無(wú)法避免的自然災(zāi)害，而地震中產(chǎn)生的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失主要是由建筑物倒塌造成的。為此，各個(gè)國(guó)家都十分注重建筑工程的抗震性能設(shè)計(jì)。隔震技術(shù)是常用的減震措施，有利于提升建筑工程的抗震性能?；A(chǔ)隔震技術(shù)指的是利用柔性連接的方式在建筑上部結(jié)構(gòu)與地基之間設(shè)置隔震系統(tǒng)。近年來(lái)常用的隔震裝置是隔震橡膠支座與彈性滑板支座，其中隔震橡膠支座主要是由鋼板以及橡膠等材料制成的，在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。但從實(shí)際情況來(lái)看，在高烈度區(qū)大高寬比隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用隔震橡膠支座與彈性滑板支座會(huì)出現(xiàn)支座拉應(yīng)力超限、滑板支座提離等問(wèn)題[2]。為此，相關(guān)學(xué)者對(duì)抗拉裝置進(jìn)行了深入研究，提出了鎖扣式抗拉裝置、口型鋼框架抗拉裝置等想法。但這兩種抗拉裝置都存在一些不足，例如應(yīng)用鎖扣式抗拉裝置時(shí)需要應(yīng)用支座，而口型鋼框架抗拉裝置的初始間隙不符合要求。相比于這兩種抗拉裝置，新型滑軌式抗拉裝置較為符合要求，因此需要深入研究該裝置在大高寬比隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2、新型抗拉裝置的力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)裝置

在大高寬比隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用新型抗拉裝置之前需要對(duì)抗拉裝置進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)。即設(shè)計(jì)人員需要對(duì)3組承載力為200t且水平行程為±385mm的滑軌式抗拉裝置進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)，并根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析該裝置是否符合隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要利用 1000t壓力試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中的壓力傳感器測(cè)量抗拉裝置的加載力并利用位移計(jì)測(cè)量抗拉裝置的拉伸變形量。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

在完成力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)后需要綜合分析檢測(cè)結(jié)果。在試驗(yàn)過(guò)程中，水平位移的設(shè)計(jì)值為≧±385mm、設(shè)計(jì)拉伸荷載的設(shè)計(jì)值為2000kN、設(shè)計(jì)拉伸位移的設(shè)計(jì)值為≤8mm、極限拉伸荷載的設(shè)計(jì)值為≧2400kN、極限拉伸位移的設(shè)計(jì)值為≤10mm。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，第一組抗拉裝置的水平位移為±450mm、設(shè)計(jì)拉伸荷載為2001.3kN、設(shè)計(jì)拉伸位移為2.97mm、極限拉伸荷載為2402.6kN、極限拉伸荷載為4.11mm；第二組抗拉裝置的水平位移為±450mm、設(shè)計(jì)拉伸荷載為2001.1kN、設(shè)計(jì)拉伸位移為3.10mm、極限拉伸荷載為2401.5kN、極限拉伸荷載為4.12mm；第三組抗拉裝置的水平位移為±450mm、設(shè)計(jì)拉伸荷載為2001.5kN、設(shè)計(jì)拉伸位移為3.12mm、極限拉伸荷載為2403.1kN、極限拉伸荷載為4.25mm。所以每組抗拉裝置的檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值之間的偏差都在15%以?xún)?nèi)，且檢測(cè)結(jié)果的偏差平均值在10%以?xún)?nèi)，這就說(shuō)明這3組抗拉裝置的力學(xué)性能都符合設(shè)計(jì)要求。其次，從抗拉裝置的荷載-位移曲線(xiàn)以及30周疲勞曲線(xiàn)來(lái)看，在極限拉伸荷載作用的影響下抗拉裝置不會(huì)出現(xiàn)十分明顯的剛度退化情況，且構(gòu)件仍然處于彈性狀態(tài)中。但當(dāng)拉伸荷載達(dá)到2800kN時(shí)抗拉裝置會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況。

3、新型抗拉裝置的簡(jiǎn)化模型與軟件模擬情況

3.1 簡(jiǎn)化模型

設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)滑軌式抗拉裝置的力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果設(shè)置抗拉裝置的簡(jiǎn)化模型。從實(shí)際情況來(lái)看，在極限拉伸荷載的作用下抗拉裝置不會(huì)出現(xiàn)屈服情況，所以設(shè)計(jì)人員可以對(duì)設(shè)計(jì)拉伸荷載作用下的抗拉裝置進(jìn)行彈性假定[3]。若設(shè)計(jì)人員利用K表示抗拉裝置的彈性剛度，用F表示設(shè)計(jì)拉伸荷載并用Q表示抗拉裝置的拉伸應(yīng)變，公式（1）如下：

設(shè)計(jì)人員需要利用試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果以及上述公式（1）計(jì)算抗拉裝置的彈性線(xiàn)剛度。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，200t的抗拉裝置彈性線(xiàn)剛度為666.67kN/mm。

3.2 軟件模擬情況

設(shè)計(jì)人員需要利用軟件模擬滑軌式抗拉裝置并構(gòu)建其力-位移模型（如圖2所示）。從實(shí)際情況來(lái)看，該模型在模擬拉伸荷載作用下力-位移特性時(shí)會(huì)忽略抗拉裝置自身的滯回耗能，且如果實(shí)際拉伸荷載大于設(shè)計(jì)值時(shí)需要將單元?jiǎng)偠榷x為0[4]。需要將該單元在受壓變形情況下的剛度設(shè)置為0從而模擬抗拉裝置在結(jié)構(gòu)重力作用下的初始縫隙。

圖2 新型抗拉裝置的力-位移模型

4、新型抗拉裝置在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

4.1 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目概況

在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用新型抗拉裝置前需要全面分析隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的情況。某高層隔震項(xiàng)目的抗震設(shè)防烈度為8度，一共有20層，其中地下1層、地上19層。同時(shí)，該項(xiàng)目應(yīng)用了框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為63.2m、寬度為15.2m、高寬比為4.158，是典型的大高寬比隔震結(jié)構(gòu)。

4.2 隔震支座的設(shè)置方案

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化隔震支座的設(shè)置方案。（1）該高層隔震項(xiàng)目一共包括3個(gè)部分，其中一部分應(yīng)用隔震技術(shù)與隔震溝。所以設(shè)計(jì)人員需要將隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)±0m并確保樓梯間與電梯井穿越隔震層至地下1層-9.95m處[5]。（2）樓梯間以及電梯井的荷載相對(duì)較大，無(wú)法應(yīng)用吊掛這種方式，所以設(shè)計(jì)人員需要在樓梯間與電梯井下方設(shè)置隔震支座。且為了充分發(fā)揮不同標(biāo)高處隔震支座的變形協(xié)調(diào)作用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)科學(xué)選擇隔震支座。一般情況下，可以在電梯井底部設(shè)置水平剛度相對(duì)較小的彈性滑板支座以及天然橡膠支座。所以設(shè)計(jì)人員需要選擇4個(gè)LRB900支座、8個(gè)LRB1100支座、15個(gè)LNR900支座、7個(gè)LNR1000支座、2個(gè)LNR1100支座以及2個(gè)ESB700支座。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保所選隔震支座的力學(xué)性能符合要求。例如，需要確保LRB900這種隔震支座的豎向剛度為3400kN/mm、等效水平剛度為2.17kN/mm、屈服前剛度為17.06kN/mm；LRB1100支座的豎向剛度為4400kN/mm、等效水平剛度為2.45kN/mm、屈服前剛度為18.51kN/mm；LNR900支座的豎向剛度為3200kN/mm、等效水平剛度為1.31kN/mm；LNR1000支座的豎向剛度為3800kN/mm、等效水平剛度為1.45kN/mm；LNR1100支座的豎向剛度為4100kN/mm、等效水平剛度為1.46kN/mm；ESB700支座的豎向剛度為11000kN/mm。（3）設(shè)計(jì)人員需要優(yōu)化隔震支座的布置方式。例如，設(shè)計(jì)人員需要利用四周布置的方式設(shè)置隔震支座并在中間設(shè)置天然橡膠支座，從而使隔震支座的面壓在15MPa以?xún)?nèi)且隔震層的偏心率在3%以?xún)?nèi)。

4.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析

設(shè)計(jì)人員需要利用有限元分析軟件以及FNA法對(duì)隔震結(jié)構(gòu)以及非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。在這一過(guò)程中需要利用Rubber isolator單元以及Gap單元對(duì)疊層橡膠支座進(jìn)行并聯(lián)模擬，利用Feiction isolator單元對(duì)彈性滑板支座進(jìn)行模擬，從而準(zhǔn)確反映隔震支座的拉壓剛度異性特征。從前三階周期的分析結(jié)果來(lái)看，非隔震結(jié)構(gòu)的振型為1、2、3，周期為1.816s、1.741s、1.411s，X向累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)為60%、62%、67%，Y向累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)為1%、65%、65%。而隔震結(jié)構(gòu)的振型為1、2、3，周期為3.679s、3.651s、3.000s，X向累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)為88%、97%、98%，Y向累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)為9%、98%、98%[6]。所以隔震結(jié)構(gòu)的振型周期比非隔震結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)1倍，且累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到了98%。其次，設(shè)計(jì)人員需要利用軟件篩選出兩組人工波以及五組天然波，并使隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的主要周期點(diǎn)影響系數(shù)的平均值與反應(yīng)譜的偏差在±20%以?xún)?nèi)，之后再進(jìn)行分析。從分析結(jié)果來(lái)看，在時(shí)程工況與反應(yīng)譜工況下結(jié)構(gòu)基底剪力比值都符合要求。且與非隔震結(jié)構(gòu)相比，隔震結(jié)構(gòu)的底部剪力減小了50%以上，其中上部結(jié)構(gòu)地震作用有所減小、層間剪力沿結(jié)構(gòu)高度呈現(xiàn)均勻變化。此外，在提取罕遇地震下隔震支座拉壓應(yīng)力后，受拉支座主要集中在電梯井以及樓梯間的底部，其中有3個(gè)支座的拉應(yīng)力在1MPa以上，且支座的最大拉應(yīng)力為1.05MPa。同時(shí)，隔震層的最大位移為330mm，比橡膠層總厚度的3倍要小一些，也比最小支座直徑的0.55倍小一些。

4.4 抗拉裝置設(shè)置方案

該隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中電梯井底部與樓梯間底部的橡膠支座存在拉應(yīng)力超限等問(wèn)題，所以設(shè)計(jì)人員需要在嚴(yán)重受拉支座的四周設(shè)置11套新型抗拉裝置。在設(shè)置新型抗拉裝置時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要將抗拉裝置的上法蘭板與隔震層梁底連接在一起并將下法蘭板與隔震層底板連接在一起。在設(shè)置新型抗拉裝置之后，隔震支座的最大拉應(yīng)力降低為了0.9MPa，隔震層的拉應(yīng)力減小了10%，新型抗拉裝置附近的隔震支座拉應(yīng)力減小了20%左右[7]。在罕遇地震作用的影響下，新型抗拉裝置的最大拉伸力為1357kN，比設(shè)計(jì)承載力小。在重力作用的影響下，隔震支座只會(huì)出現(xiàn)軸向壓力。此外，只在電梯井與樓梯間的底部設(shè)置抗拉裝置所以不會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性產(chǎn)生較大影響，且應(yīng)用新型抗拉裝置之后隔震結(jié)構(gòu)的隔震層位移以及減震系數(shù)都沒(méi)有出現(xiàn)變化。

5、優(yōu)化新型抗拉裝置應(yīng)用效果的策略

人們對(duì)新型抗拉裝置的了解相對(duì)較少，所以若想優(yōu)化新型抗拉裝置的應(yīng)用效果就需要加大推廣力度與研究力度。

5.1 加大新型抗拉裝置的推廣力度

相比于傳統(tǒng)的抗拉裝置，新型抗拉裝置更符合大高寬比隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，所以需要積極推廣新型抗拉裝置，增進(jìn)設(shè)計(jì)人員對(duì)新型抗拉裝置的了解。在推廣過(guò)程中需要全面講解新型抗拉裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用方法以及應(yīng)用原則，讓設(shè)計(jì)人員充分了解如何在大高寬比隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用新型抗拉裝置。

5.2 加大對(duì)新型抗拉裝置的研究力度

新型抗拉裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以若想充分發(fā)揮其在大高寬比隔震結(jié)構(gòu)中的作用就需要深入研究新型抗拉裝置。（1）設(shè)計(jì)人員需要全面分析新型抗拉裝置的結(jié)構(gòu)及各個(gè)部分的具體作用。例如，設(shè)計(jì)人員需要分析上部導(dǎo)軌、下部導(dǎo)軌、限位器、T型倒扣、滑槽等各個(gè)部分的具體作用。（2）設(shè)計(jì)人員需要深入研究新型抗拉裝置的力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)方法，準(zhǔn)確判斷新型抗拉裝置的水平位移、設(shè)計(jì)拉伸荷載、設(shè)計(jì)拉伸位移、極限拉伸荷載、極限拉伸位移是否符合需求。（3）設(shè)計(jì)人員需要深入研究新型抗拉裝置的設(shè)置原則。即應(yīng)將新型抗拉裝置設(shè)置在隔震層隔震支座存在拉應(yīng)力超限的區(qū)域中；根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整隔震支座的抗壓剛度；在布置新型抗拉裝置后需要準(zhǔn)確計(jì)算隔震支座的拉應(yīng)力并確保其拉應(yīng)力在1MPa以?xún)?nèi)；確保隔震支座的極限位移在10倍屈服位移以?xún)?nèi)[8]。

5.3 加大人員培訓(xùn)力度

做好設(shè)計(jì)人員的培訓(xùn)工作可以提高新型抗拉裝置的應(yīng)用質(zhì)量，所以需要通過(guò)理念培訓(xùn)、技術(shù)培訓(xùn)等方式提高設(shè)計(jì)人員的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。（1）需要加大理念培訓(xùn)力度，幫助設(shè)計(jì)人員樹(shù)立先進(jìn)的隔震設(shè)計(jì)意識(shí)。在理念培訓(xùn)過(guò)程中可以多講解進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的必要性與重要性，提高設(shè)計(jì)人員對(duì)隔震設(shè)計(jì)的重視程度；講解先進(jìn)的隔震設(shè)計(jì)理念，讓設(shè)計(jì)人員逐漸形成多元化的隔震設(shè)計(jì)意識(shí)；講解先進(jìn)的隔震設(shè)計(jì)方法，增進(jìn)設(shè)計(jì)人員對(duì)新型抗拉裝置等隔震手段的了解。（2）需要加大技術(shù)培訓(xùn)力度，提高設(shè)計(jì)人員應(yīng)用新型抗拉裝置的能力。例如，需要開(kāi)展新型抗拉裝置力學(xué)性能試驗(yàn)培訓(xùn)，讓設(shè)計(jì)人員掌握新型抗拉裝置力學(xué)性能檢測(cè)的方法；開(kāi)展新型抗拉裝置選擇培訓(xùn)，讓設(shè)計(jì)人員學(xué)會(huì)根據(jù)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求選擇合適的新型抗拉裝置；開(kāi)展新型抗拉裝置設(shè)置培訓(xùn)，讓設(shè)計(jì)人員掌握新型抗拉裝置的優(yōu)化設(shè)置方法。

5.4 加大應(yīng)用控制力度

在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用新型抗拉裝置時(shí)需要做好控制工作，提高新型抗拉裝置的應(yīng)用質(zhì)量。（1）需要嚴(yán)格控制新型抗拉裝置的彈性剛度。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)抗拉裝置的軸向剛度以及受彎部件的彎曲剛度計(jì)算新型抗拉裝置的彈性剛度。（2）需要嚴(yán)格控制抗拉裝置的屈服力以及屈服位移。在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)屈服強(qiáng)度最小的部件計(jì)算抗拉裝置的屈服力以及屈服位移。（3）需要嚴(yán)格控制抗拉裝置的力學(xué)參數(shù)。受力狀態(tài)會(huì)對(duì)新型抗拉裝置的力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生一定影響，例如在雙偏心狀態(tài)下新型抗拉裝置的屈服前彈性剛度最大且屈服力最小。為此，設(shè)計(jì)人員需要科學(xué)控制新型抗拉裝置的受力狀態(tài)與力學(xué)參數(shù)。第四，需要嚴(yán)格控制抗拉裝置的布置方式。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)隔震支座以及隔震層的實(shí)際情況選擇合適的布置方式，增強(qiáng)新型抗拉裝置布置的科學(xué)性。

結(jié)語(yǔ)：

提高建筑工程的抗震性能具有重要意義，而在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，靈活應(yīng)用新型滑軌式抗拉裝置可有效解決隔震支座拉應(yīng)力超限等問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)人員需要提高對(duì)新型抗拉裝置的重視程度，對(duì)抗拉裝置進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)并根據(jù)測(cè)試結(jié)果設(shè)置裝置的簡(jiǎn)化模型。在應(yīng)用新型抗拉裝置時(shí)也需要優(yōu)化裝置設(shè)置方案，從而在優(yōu)化減震效果的同時(shí)減小支座拉應(yīng)力。