土木建筑网首页 > 陕西建筑 > 工程结构 > 浅析层间隔震结构的特点及应用

阅读 3162 次 浅析层间隔震结构的特点及应用

摘要:层间隔震结构是近年来开始研究的一种新型隔震技术,这种新型隔震技术是把隔震层放在建筑物某层楼板与柱子之间某个位置而进行结构的地震反应控制。本文对层间隔震结构的特点做出详细分析,介绍了该结构在国内外建筑中的具体应用,提出了新的研究方向。...
 
浅析层间隔震结构的特点及应用
 
周亦玲
西安建筑科技大学 710055 西安
 
    近几年来,随着我国经济建设的高速发展,高层建筑,大型桥梁及海洋平台等重大工程的大量兴建,对基础隔震技术的应用与研究已经取得了比较大的成果。基础隔震结构的设计标准已经纳入我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中,对一些基础隔震设计时的具体细节有了更加详尽的要求。并且已有许多工程实例引入了基础隔震的技术。随着这些大型工程的建设及交付使用,隔震技术也随着实践趋于完善。在基础隔震结构的理论和工程实践的基础上,发展出了一种新型的隔震结构形式,即层间隔震技术。层间隔震结构的不仅扩大了了隔震技术的
 
    使用范围,而且对此技术也产生了许多新的研究课题。
    不同于基础隔震,层间隔震中隔震层的的设置可以根据结构的自身特点来灵活布置,隔震层通常安放在建筑结构某层楼板和柱子之间进行地震反应控制,这种布置方式不仅便于满足建筑房屋使用的要求,也为隔震技术开辟了新的应用天地。
 
    依据结构自身的特点,可把层间隔震减震体系分为下面几种形式:
    1.隔震层的位置设置在结构竖向刚度有突变的部位(图1-a)
    2.隔震层的位置设置在结构形式有变化的部位(图1-b)
    3.隔震层的位置设置在结构的一层顶(图1-c)、
    4.隔震层的位置设置在结构的中间层(图1-d)
    5.隔震层的位置设置在结构的顶层(图1-e)
   
    整体结构由于在中间设置了隔震装置,所以可分为上部结构、隔震层和下部结构三部分。这种层间隔震体系的上部结构和下部结构的层数不受限制,可以一层,也可以多层。隔震层装置的隔震支座多采用叠层橡胶。
 
    隔震层位置较低时,结构设计可以通过降低隔震层刚度来减小其的自振频率,这样就增加了结构的整体自振周期,使其远离地震震动的周期,进而降低了结构的地震反应。隔震层可以集中大多数的地震能,并且依靠隔震装置来进行散耗。并使地震时的变形主要集中在隔震层上。

    隔震层位置较高时,整体结构的周期没有得到太大延长,因此结构设计时既要考虑降低结构的自振频率,又要考虑通过调整减震装置的刚度改变上部结构的自振频率,这样,结构的自振频率和主结构的激振频率或基本频率就比较靠近,这时为把结构的振动反应控制在可接受范围内,可采用调谐吸振的方式。
 
    与基础隔震类似,隔震层的上部结构在地震发生时主要进行水平平动,如果部结构地震反应不要求控制,且其刚度无穷大时,层间隔震体系就转化为初始的基础隔震体系。由于上部结构相当于下部结构的调谐质量块,因此上部结构的存在,可以控制下部结构的地震反应。当上部结构地震反应不要求控制且为单自由度体系时,层间隔震体系则转化成为被动TMD体系(调谐质量阻尼振动控制系统)。
 
    对于层间隔震减震结构,上部结构和下部结构都是结构设计时需要考虑到的控制目标,无论是对上部结构还是下部结构,都要减小其地震反应。
 
    层间隔震减震效果一般可以达到在10%-40%的水平,,而且层间隔震体系可以采用原结构隔热层或者结构加层做隔震层达到减震目的,在工程中更加简单且容易实现,只需要少量投资却能产生很大的抗震效果,因此旧房加层和抗震加固多采用此技术。
 
    与基础隔震结构相比,层间隔震结构具有以下五个方面的优点:
    1.适用范围比较广泛;因条件限制不能采用基础隔震的结构和已有楼房的增层或改造加固。例如近海区或可能遭受洪涝灾害的地区,由于橡胶隔震支座易被腐蚀,假如采用基础隔震结构时只能将隔震层位置设置的更高。还有,在旧楼顶部加层时,新旧楼层间设置隔震层,可使原楼房的加速度反应降低30%左右。
 
    2.层间隔震结构不仅不必设置相对应与预留空间构造措施,而且也不需要为隔震层预留较大空间以应对地震时发生时的较大位移;我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)有明确规定:建筑上部结构的周边应安置竖向隔离缝,且缝宽应该大于各隔震支座在少遇地震下的最大水平位移值的 1.2 倍且不小于200mm。对两相邻隔震结构,其缝宽取最大水平位移值之和,且不小于400mm。于上部结构与下部结构之间设置一水平隔离缝,且该隔离缝应该贯通,并填充柔性材料;万一无法设置隔离缝确,则可以用的水平滑移垫层来代替它。穿过隔震层的电梯、走廊、楼梯这些部位,需要防止别发生碰撞。由于层间隔震的隔震层一般设于一层或以上柱顶,因此结构即使发生较大变形也是发生在空中。因此,不存在预留空间或者相应的构造方面的问题。
 
    3.降低土建造价;层间隔震与基础隔震结构不同,不需要在隔震层顶部增设一层梁板承载力和刚度须大于一般楼面的且厚度不小于 140mm 的梁板式楼盖,而是按照隔震的目的对结构原楼盖进行设计就行。因此,相对于基础隔震,层间隔震结构不仅减少隔震支座的设计费用,而且还省下了一层楼板的费用,产生了显著的经济效益。
 
    4.层间隔震能增强结构抗倾覆的能力;考虑到隔震支座的抗拉性不好,且为了保证在地震时隔震结构不发生破坏,《建筑抗震设计规范》规定,拉应力不可以出现在隔震支座上。对于层间隔震结构,为提高结构的抗倾覆性能,使隔震层位置设置在较高位置,降低了上部结构的高宽比,同时使得结构的倾覆力矩与抗倾覆力矩的比值减小。
 
    5.施工方便。
    由于层间隔震的水暖管道等可以安放在地面上部,因此对其施工、维修和更换起来都很方便。相对于基础隔震,对旧房进行抗震加固时,在原有结构的顶部设置隔震层会使施工过程方便很多。
 
    另外,与被动TMD系统的相比,层间隔震结构用橡胶支座代替了弹簧阻尼器,结构本身的楼板或隔热层代替了附加的质量块。并且在实际工程中,TMD系统存在以下不足之处:首先,需要一相当大的质量块和一定的空间来安装TMD系统;其次,TMD系统需要留出足够的空间,用以预防质量块的大位移移动;最后,为确保质量块的可以自由移动,TMD系统必须安置在比较光滑的的位置,尽可能的减小其运动时的摩擦力。为避免以上不足,沈俊华,高强华等采用基础隔震中的阻尼器和叠层橡胶支座来替代TMD系统中的弹簧阻尼器,并且用结构自身的屋顶作为TMD的质量块。由于此方案不用提供额外质量,且不用占用屋顶空间,因此也就用不着提供额外空间。此外,由于叠层橡胶支座所具有的性质也利于方案的顺利实施。因此,该方案同时具有造价便宜和易于在工程中的应用等优点。
 
    由于层间隔震技术的以上优点,所以以下几种工程多用层间隔震技术进行减震控制:
    1.近海建筑:可以通过将隔震层提高到层间的方式来防止橡胶隔震支座被海水腐蚀。
    2.旧结构加层:旧有结构在加层后仍要满足规范所要求的抗震性能,可以通过在新旧结构之间加入隔震层来达到减震效果,也顺便增强了结构整体的抗震能力。
    3. 加固旧结构抗震:对文物建筑等年代较久却很具纪念意义的建筑,采取一定措施增加其抗震减震性能是急需解决的问题,这时,把隔震层设置在屋面下部既可以提高建筑的抗震能力又可以最大程度的保证建筑物原貌。
    4.特殊结构建筑:对于底部框架上部砌体,及上部塔楼结构等混合结构,由于层间刚度存在突变,在地震作用下层间很易发生破坏,此时,选择层间隔震的方法,可以有效的解决此类问题。
 
    近一二十年来,对基础隔震技术有了一定的研究,但是在此基础上发展出来的层间隔震技术的研究尚处于起始阶段,对层间隔震应用技术,日本研究较多,而我国大部分的相关研究则是基于某特定结构所开展的振动台试验和与之相对的动力分析,还没有最终得出系统的理论研究成果。所见文献也仅限于日本和我国。以下简单介绍一些层间隔震的工程实例以及相应的研究成果。
 
    日本汤河研修所,始建于1964年,共16层,高度49m,总建筑面积为15658m2,其上部有8层,主馆沿山而建,基础倾斜。大成建设横滨支店于1996年8月,以层间隔震的方式对本建筑进行了改造加固。在原先8层上22根柱地方改为了叠层橡胶隔震支座。经过加固后,基地剪力降到原来的10%~20%,抗震能力显著提高。
 
    福建省吉源花园小区新建的采用了隔震层技术的建筑,其隔震层设在一层柱顶,对其进行振动试验。试验表明,设计的层间隔震层大大的减轻了地震反应作用。试验结果显示在顶部出现了鞭梢效应,这是因为结构顶层的刚度较小。
 
    由诸多实例可知,改变隔震层位置的方式致使结构出现了动力反应方面的新特点:(1)隔振层上下结构明显不同的的减震效果。(2)层间隔震结构一般由包含第一振型和另一个是较高的振型的两种振型一起起控制作用。(3)加入层间隔震的结构仍然可能出现鞭梢效应。
 
参考文献:
[1] R. I. Skinner, W. H. Robinson, G. H. Mcverry著.工程隔震概论.谢礼立,周雍年,赵兴权等译.地震出版社,1996.
[2] 矢岛秋彦,中田宜男,等. 中间阶免震の施工とその注意点[J]. 施工,1998, 390: 72-77.
[3] 赵昕,李杰. 层间隔震结构隔震垫的有限元模拟[J ] . 建筑结构,2001 ,31(11) :66~68.
 
(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:文径 尹维维 编辑  刘真 审核)
关于 层间 隔震 结构 特点 应用 的相关文章