基础隔震结构限位问题研究现状

张 超,张 慧

(陕西工业职业技术学院 土木工程学院,陕西 咸阳 712000)

关于基础隔震结构的限位问题,国内、外已有一定的理论研究,总体上分为限位器自身的理论研究和带有限位器的基础隔震结构的理论研究。

1 限位器自身的理论研究

限位器在本质上是耗能减震器或者阻尼器。耗能减震器按照耗能材料分类,分为金属耗能器(如软钢耗能器、低屈服点钢耗能器、铅阻尼器)、粘弹性耗能器(如粘弹性橡胶剪切阻尼器)、粘滞阻尼器(如油阻尼器)、智能材料阻尼器(如电流变阻尼器、磁流变阻尼器、记忆合金阻尼器)。当然国内外学者还对其他限位器也做了深入的研究,比如粘滞阻尼器、形状记忆合金(SMA)等。限位器自身的理论研究主要是限位器的力学性能的研究。姚谦峰等指出软钢U型带片作为基础隔震体系的一种限位、消能装置,具有取材容易、结构简单、造价便宜等优点。对66个不同参数软钢U型带片试件在低周反复荷载作用下的强度、刚度及耗能性能进行了分析[1]。李树信、姚谦峰等通过对六组不同参数实体圆锥棒的试验研究,对其破坏特点、强度、刚度、变形以及耗能性能进行了对比分析；提出了强度、刚度的实用计算方法以及圆锥棒的合理斜锥度[2]。Aguirre等对U型单元阻尼器进行了实验,包括力-位移响应、疲劳寿命以及循环加载中试件温度的升高等内容[3]。

2 带有限位器的基础隔震结构的理论研究

2.1 国内研究现状

冶金部建筑研究总院和西安建筑科技大学等单位近年来对基础滑移隔震结构体系进行了较系统和全面的研究,其中包括对限位装置方面的研究,先后在兰州、银川、太原、唐山、西安等八大城市建造了滑移隔震结构试点工程。熊仲明,俞茂宏等通过对隔震房屋有限位装置的恢复力特性的研究,提出了多层砖房隔震结构的恢复力计算模型,编制了隔震结构的分析程序,提出了基础滑移隔震房屋结构设计的构造措施和减震效果试推检验方法[4]。熊仲明,霍晓鹏等对基础滑移隔震结构做了较为深入的研究,提出了用软钢U型带片作为限位消能元件,并在基础与限位消能装置之间预留一定的自滑区长度,组合成为一种新型的滑移隔震系统,对其隔震性能进行了分析研究[5]；熊仲明,王清敏等以多层砖混隔震结构足尺试验为依据,通过隔震房屋对有弹性限位装置的恢复力特性的研究,找出了限位消能元件U型环个数与其刚度关系,提出了多层砖房隔震结构恢复力计算模型,为隔震房屋的设计计算提供了依据[6]。韩淼,周锡元指出叠层钢板橡胶支座基础隔震结构的隔震层位移过大时会导致橡胶支座失稳,提出了在隔震层增设缓冲限位保护装置作为第二道防线的设计方案[7]。樊剑等提出了一种新型基础隔震模型,即带限位装置的摩擦隔震系统,限位装置包括由弹簧和阻尼组成的限位器和刚性限位壁[8]。韩淼等对基础隔震模型进行了软碰撞限位振动台模拟地震动试验,分析实验数据得出了预留距离与软碰撞限位器刚度对结构层与隔震层位移反应的影响规律,根据结构层与隔震层位移反应均控制在允许范围内的条件,优选出适用于本隔震试验模型的软碰撞限位器试验工况[9-10]。赵歆冬等利用形状记忆合金(SMA)材料的相变伪弹性性能,研制了一种SMA自复位隔震阻尼器,并将其与叠层橡胶垫联合应用,提出了一种新的自复位隔震装置[11]。

2.2 国外研究现状

R.I.Skinner等指出凡在经济上可行的场合,都应该使用弹性缓冲器。新西兰的部分隔震建筑中已经使用了限位器和弹性缓冲器。惠灵顿的威廉克雷顿大楼安装了行程为±0.15m的限位器,该地的警察局大楼安装了行程为0.35m的弹性缓冲器[12]。Kelly将聚四氟乙烯摩擦滑移隔震支座与限位复位装置结合使用,取得了良好的效果。此外Kelly还提出把橡胶隔震支座和摩擦滑移支座结合使用,因为橡胶支座具有很好的震后恢复能力,摩擦滑移支座具有很好的耗能能力[13]。L.Guerreiro等指出基础隔震结构在基础与附属物之间要有一定的间距,以便允许结构的大变形。并对在发生碰撞时挡块限制基础大位移的作用,以及减小结构地震反应的作用进行了分析。分析的挡块包括纯弹性挡块、粘性挡块、粘弹性挡块[14]。美国加州大学地震工程研究中心的W.C.Peter等人研制出一种用于土木结构地震反应的SMA被动阻尼装置,主要安装于结构与基础之间,耗散和隔离横向的地震响应。计算结果表明,结构地震位移、加速度反应比原结构分别减少l/3和l/2,阻尼减震的效果是非常显著的[15,16]。

3 结语

基础隔震体系彻底改变了传统结构抗震设计方法的不足,采用“以柔克刚”的设计理念,通过设置滑移隔震层来隔离和减少地震能量的输入,使得上部结构的地震反应明显减少。其中限位装置(耗能减震器或者阻尼器)是隔震层重要的组成部分,那么对于限位装置的限位机理研究显得尤为重要。

[1]姚谦峰.软钢U型带片的限位、消能性能分析[J].西安建筑科技大学学报,1997,29(1):22-26.

[2]李树信,姚谦峰,等.软钢实体圆锥棒的限位、消能性能研究[J].西安冶金建筑学院学报,1992,24(3):243-248．

[3]Aguirre,M.and snchez,A.R,Structural Seismic Damper[J].J.of Structural Engineering,ASCE,1992,118(5):1158-1171．

[4]熊仲明,俞茂宏,王清敏,等.基础滑移隔震房屋结构设计与工程应用的理论研究[J].振动与冲击,2000,22(3):50-54．

[5]熊仲明,霍晓鹏,等.一种新型基础滑移隔震框架结构体系的理论分析与研究[J].振动与冲击,2008,27(10):124-129．

[6]熊仲明,王清敏,丰定国,等.基础滑移隔震房屋计算恢复力曲线的确定[J].西安建筑科技大学学报,1999,31(2):145-148．

[7]韩淼,周锡元.基础隔震建筑软碰撞保护分析[J].建筑科学,1999,15(1):14-20．

[8]樊剑,唐家祥.带限位装置的摩擦隔震结构动力特性分析[J].噪声与振动控制,2000(3):24-27．

[9]韩淼,杜红凯,等.基础隔震层软碰撞限位试验研究[J].工程力学,2008(27):124-128．

[10]李仙华.隔震建筑隔震层大变形软碰撞限位试验研究[D].北京:北京建筑工程学院,2006．

[11]赵歆冬,王社良,等.设有形状记忆合金自复位阻尼器隔震结构的地震反应分析[J].西安建筑科技大学学报,2004,36(4):388-390．

[12]R.I.Skinner,W.H.Robinson著,谢礼立,周雍年,赵兴权译.工程隔震概论[M].北京:地震出版社,1996．

[13]J,M.Kelly,Aseismic Base Isolation∶Review and Bibliography[J]. Soil Dynamic and Earthquake Enginerring, 1986, 5(4):202-216．

[14]L.Guerrein and J.Azcvedo. Impact Problems on Base-isolated Structures[C]. Mexico∶Proceeding of the World Conference on Earthquake Engineering, 1996．

[15]Peter WCetal. Experimental and Analytical Studies Shape Memory Alloy Damper for Structural Control[C]. Proc. of SPIE, SmartStruct. Mater, 1995, 2445∶241-251．

[16]王丽.建筑结构隔震减震措施分析[J].江西建材,2014(4):44-47．