国内高层结构隔震技术的研究进展

国内高层结构隔震技术的研究进展

0国内的高层建筑隔震技术地震带位于太平洋地震带和欧亚地震带之间，地震断裂带非常发达。它是地震频发的国家之一，也是受地震影响最大的国家之一。因此，抗震振动技术的研究尤为重要。而隔震技术作为一门新兴的减震技术,较之于传统的抗震技术,具有良好的经济性和安全性,是现阶段工程领域重要的研究课题之一。我国在2001版的《建筑抗震设计规范》(以下简称《规范》)中首次将隔震技术纳入其中,规范规定的适用范围为:不隔震时结构基本周期小于1.0s的多层砌体房屋、钢筋混凝土框架房屋等。而随着这一技术的理论研究不断完善和越来越成熟的工程经验,在2010年版的新《规范》中其适用范围得到进一步的扩大。新《规范》规定该技术宜用于高宽比小于4,其变型特征接近剪切变形的结构,促进了隔震技术更广泛的应用。在现阶段,国内高层建筑隔震技术的研究主要集中在基础采用橡胶垫隔震技术上,并取得了相关方面的进展。本文结合新规范对这些研究成果进行了综述,提出了一些尚待解决的问题,以期使该技术得到更多的关注和研究。1抗疲劳性能分析1.1新规范地震影响系数的折减分析隔震技术主要通过延长结构的周期,使其远离场地的卓越周期来降低地震作用。由于高层结构本身周期一般较长,其周期的进一步延长,因而,从反应谱上看并不能取得明显的减震效果。王曙光、杜东升等人指出,这是由于忽视了高层隔震结构的高阶振型和高阻尼造成的。文献以一栋高层隔震建筑为例分析了高阶振型的参与对隔震效果的影响,并指出随着参与计算的振型数目越多,隔震结构与非隔震结构相比,隔震效果越明显。文献中,分析了高阻尼对隔震效果的影响,还结合日本相关方面的规范,对我国规范中的地震影响系数进行了调整,并给出了不同阻尼比下的地震影响系数曲线。文献则从隔震层滤波原理的角度,阐述了高层隔震结构的减震效果。此外,由于设计都要依照现行的规范进行,故对新规范中的减震效果也进行了分析。新《规范》对与反应谱相关的系数γ,η1,η2均作了调整,为了比较新旧规范的反应谱中随着阻尼的增大地震影响系数和相应减震效果的变化情况,本文选取在8度(0.3g)二类的场地上进行分析,考虑到规范中对隔震结构最大水平地震影响系数进行了折减,讨论分为三种情况:1)旧规范下不考虑水平地震影响系数最大值的折减,即αmax=0.24;2)新规范下不考虑最大影响系数的折减,即αmax=0.24;3)新规范下考虑最大影响系数的折减,则αmax1=0.5αmax=0.12,其中,折减系数0.5是根据文献中实际工程经验选取的。计算结果见表1,其中α1,α2,α3分别表示在1)情况、2)情况、3)情况下的计算结果。由表1中的数据可知,虽然新规范对3个系数都进行了调整,但对于绝大多数不需要对水平影响系数最大值进行折减的非隔震结构,新旧规范下α的计算结果相差不大。对于隔震结构,其α取值与水平影响系数最大值αmax的折减程度有着很大的关系。而仅从反应谱的算式上分析,高阻尼对高层隔震结构的水平影响系数α的取值并没有显著影响,在这一点上,新旧规范是相同的。为了更好地说明上面的结论,本文在前面的已知条件下,选取了阻尼比为0.15时,三种情况的反应谱曲线,如图1所示。其中前两种情况的曲线几乎重合,第三种情况下α的取值为相应第二种的0.5倍,很好地符合了前面的结论。1.2分析软件方面目前,我国减震效果分析采用的主要方法有:非线性时程软件分析和振动台试验。对于我国目前高层隔震建筑大多为十分规则的结构且高度和高宽比的设计均比较保守的状况,故采用分析软件,如SPA2000,ETBAS,Midas等,均能在高层隔震性能分析上取得良好的效果,也是我国现阶段高层隔震设计采用的主要方法和新规范推荐采用的方法。振动台试验除了在理论研究方面十分有效外,在国外也多采用振动台试验对超高层及不规则结构的模型进行隔震性能测试,确保设计的安全性。在我国,振动台试验研究多用于对高层隔震理论研究的完善,关于如何利用振动台试验对超高层及不规则结构进行模拟,还处于起步阶段。1.3点三点模型计算方法现阶段对于高层隔震结构设计多采用软件分析,并且也取得了较理想的效果,但简化模型的提出对实际工程在初步阶段的设计、评估仍具有很重要的意义。文献在这一方面给出了详细的综述,本文对其进行了简单的总结并进行了补充。文献归纳了由Kelly和周锡元提出的双自由度模型,并指出由于忽略了上部结构转动以及高阶振型的影响,这种简化模型只适用于以剪切变形为主的中低层隔震建筑。而后来的三质点剪切型计算模型应用振型分解反应谱法计算可得到与时程分析法相近的最大反应计算结果。付伟庆等人基于等效原则,即上部结构周期、总基底剪力、顶点位移相等的原则,提出了弯曲型和剪切型隔震结构三质点模型的计算公式。文献在已有的研究基础上,基于等效原则给出了针对弯剪变形类型规则隔震结构等效模型的计算方法,并通过实例证明,该模型能够较为方便地对原隔震结构最大反应进行手工计算。然而,对该模型的推广应用,还需要通过大量实际工程和理论试验上的考察和验证。除此之外,在2010年的新《规范》中规定,隔震体系的计算简图,应增加由隔震支座及其顶部梁板组成的质点;对于变性特征为剪切型的结构,可采用如图2所示的模型。1.4基于竖向支护受拉结构的地震响应模型高层隔震结构由于高宽比较大,倾覆效应明显,在地震作用下支座容易出现受拉状况,而现阶段的橡胶垫隔震支座抗拉性能又较差,是高层隔震结构推广的一大障碍。针对这一情况,程华群等人在文献中给出了几种有效的降低支座受拉的措施,如采用大间距的竖向构件均匀布置、抗震墙居中布置、组合隔震以及采用高强抗拉支座等,并指出目前软件中采用的拉压刚度相同的竖向支座模型会使支座的软件分析值比实际值偏大,而考虑了竖向支座拉压刚度二线性的简化模型能更好地反映支座受力的真实情况,两种模型如图3所示。除此之外,文献指出在高烈度较硬土场地上,竖向地震作用的存在对隔震结构高宽比限值有着较大影响,而高宽比的大小又是结构发生倾覆、进而造成支座受拉的一个重要原因。故在新规范中规定分析支座受拉时,应同时考虑罕遇地震的水平和竖向地震作用,并保证支座拉应力不大于1MPa。2隔震设计和隔震结构的控制方法一方面,随着高层隔震建筑在高度上的不断突破和形状上的越来越不规则化,一些新的问题被引进来了,如风荷载下的舒适度,结构的质心与刚心不重合对隔震结构造成的扭转效应如何分析,对于形状极不规则的结构,隔震支座应如何布置才能既降低基础的扭转放大效应同时也能良好地保护上部结构等。而另一方面,虽然我国已经建成了不少高层隔震建筑,并且从2010年的新《规范》看,对该技术的适用范围进行了较大的扩展,而对于隔震结构设防要求,规范只是提到可采取更具体或更高的设防目标,并没有给出详细的规定,这使隔震结构距离规范化设计还有很大一段距离。本文从上述的方向中选取了风荷载下的舒适度和基于性能的隔震设计进行了简单的阐述和分析。2.1荷载的影响近几年来,高层隔震技术研究的主要方向都是在结构的承载力方面,对于其正常使用功能方面的研究开展的较少。而风荷载作为一种很常见的荷载,对结构的舒适度有着直接的影响。文献指出,影响人体感觉不舒适的主要因素有隔震建筑物频率、振动加速度和振动持续时间,而一般是采用限制结构加速度的方法来满足舒适度的设计要求。显然,在上部结构设置阻尼装置,或者直接将传统超高层、高层采取的振动控制技术运用到高层隔震结构中,是两种比较容易理解的措施,但具体的形式及效果还有待研究。2.2基于投资—基于性能的隔震设计基于性能的抗震设计思想是由美国学者于20世纪90年代初提出的,与现行的只注重结构安全的设计相比,基于性能的抗震设计允许对于不同的建筑物可根据业主的要求设定不同的性能标准,并对这些性能标准基于投资—效益准则进行优化,找出最佳的设计方案。我国从20世纪90年代中期就开始了相关方面的研究,而将基于性能的设计思想运用到隔震结构方面的研究还较少。在理论方面,文献针对隔震结构给出了基于反应谱法的优化设计和基于时程分析法的优化设计等设计思路,但并未针对高层结构给出具体分析。而在实际工程领域,因规范中没有准则可以参考,设计者通常自主选定一组性能目标进行设计,为了方便了解,表2给出了文献中国内某栋高层隔震建筑物的抗震性能目标作为参考。3研究方法缺乏普适性结合新规范对现阶段高层隔震技术主要研究方向的成果进行了综述,得出以下结论:1)新规范适用范围的扩大以及理论研究的不断成熟,使高层隔震技术的前景越来越广阔。2)对理论研究成果多采取软件分析或实际工程中个例进行检验,缺乏普适性,并不能被新规范完全采纳。且现