搜索
基础隔震研究进展综述摘要：基础隔震技术是一种结构控制技术在工程中应用广泛，其有造价低廉，施工便捷、控制效果佳，受到国内外的重视。本文综述了基础隔震的概念，以及研究进展。关键词：基础，隔震，支座，阻尼，进展一、引言近年来我国在结构的隔震研究十分活跃，工程应用日益增多，已开始从理论和试验研究、方案设计、结合实际工程进行分析研究，在我国新的《建筑抗震设计规范》中，已增加了隔震专门章节。工程结构应用橡胶支座的推荐性设计标准亦已批准。在国际方面，自第一届国际结构控制会议于年在美国洛杉矶召开以来，大约每9年召开一次，有关领域的文章也常见于国内外期刊和会议上。二、概念建筑结构隔震的本质思想是通过增加能够提供柔性和适当耗能装置（阻尼）的隔震层（系统），以达到减小结构振动的目的。基础隔震，就是在建筑物的基础和上部结构之间设置一个隔震层，延长结构的振动周期，适当增加结构的阻尼，使结构的位移集中于隔震层，上部结构像刚体一样，自身相对位移很小，从而使建筑物不发生破坏或倒塌。基础隔震技术的基本原理是通过设置在结构物底部与基础顶面之间的隔震消能装置，增加结构的变形能力和滞变阻尼。变形能力的增加，使得结构在地震作用下保持不倒；而阻尼的增大可以吸收更多的地震能量从而大大减小地震作用、基底位移和结构变形。同时，结构变形能力的增大导致了结构产生的第一振型周期变长。这与增大的阻尼相结合，就可以大大降低地震影响系数，并且结构底部有足够的横向变形能力和滞变阻尼，使得结构底部的应力分布较为均匀，避免了常见的结构底部首先破坏的可能性。三、基础隔震体系的主要类型基础隔震体系按隔震机理不同可划分为橡胶支座隔震体系、滑动摩擦隔震体系、组合隔震体系、摩擦摆体系等。基于结构安全性和经济性等原因，目前广泛应用的是橡胶支座隔震体系、滑动摩擦隔震体系和组合隔震体系。1.1橡胶支座隔震体系橡胶支座分铅芯叠层橡胶支座、普通叠层橡胶支座和高阻尼叠层橡胶支座。橡胶支座隔震体系的周期长、阻尼比大，隔震效果明显，采用后两种橡胶支座，不需再另外附加阻尼器，便于施工。橡胶支座隔震体系有以下性能优势：1）该体系的竖向承载力大；2）该体系的隔震层具有稳定的弹性复位功能；3）隔震器的耐久性好；4）隔震效果明显，隔震器受地基不均匀沉降的影响较小。1.2滑动摩擦隔震体系摩擦滑移隔震系统是在隔震结构中设置摩擦阻尼器组成的隔震系统。该方法是在基础面上设置滑移层,利用滑移层使上部结构产生一定滑擦力。当滑移层受地震作用大于摩擦力时,滑动面滑移,通过滑移来消耗地震能量从而起到隔震作用。摩擦滑移隔震体系包括纯摩擦隔震体系、恢复力摩擦隔震体系及带限位装置的摩擦隔震体系。1.3组合隔震体系组合基础隔震系统可分为并联隔震体系和串联隔震体系,两者由滑动摩擦隔震支座和叠层橡胶支座并联或串联组成。其中,叠层橡胶支座提供系统的恢复力,滑动摩擦隔震支座滞回耗能,隔离地震。这种隔震系统充分利用两种隔震支座的优点,隔震机理简单明确,隔震效果好。四、基础隔震技术的研究进展至今，最早提出基础隔震概念的专家是日本的河合浩藏。他在1881年提出了隔震的早期概念。其做法是先在地基上横竖交错放几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在上面盖房，以削弱地震能量向建筑物的传递。1906年，德国的JacobBechtold提出要采用基础隔震技术以保证建筑物安全的建议。1909年，英国的医生卡兰特伦茨J.A提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物间铺一层滑石或云母，当地震时建筑物滑动，以隔离地震。这几种隔震方案均是在地震工程学尚未出现或萌芽时期提出的，虽不完全合理、可靠，但概念上已具备了隔震系统的重要的基本因素。1929年，新西兰的RobertWaldislasdementak又提出了类似的思想。1921年，日本东京建成的帝国饭店可能是最早的隔震建筑。该建筑地基为2~4m厚的硬土层，下面为18^-21m的软泥土层。设计人F·L怀特用密集的短桩穿过表层硬土，插到软泥土层底部，巧妙地利用软泥土层作为“隔震垫”。这种设计思路当时引起了极大的争论和关注。但在1923年的关东大地震中该建筑保持完好，经受住了地震考验。而其它的建筑物则普遍严重破坏。随着地震工程学的发展，基础隔震的研究也在逐渐深入。1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础间插入滑动或滚动轴承的隔震方案。1927年，日本的中村太郎论述了在隔震系统中吸收地震能量的必要性，并提出在底柱上端加侧向阻尼器，做为地震时的吸能装置。他对阻尼的认识，正是以前的各种基础隔震方案所忽视的。1959年开始Gent及Lindley等最早把橡胶与钢板粘结的橡胶隔震支座作为一体性装置进行力学性能的研究，提出了相关的理论并用试验进行了验证。上个世纪七十年代初，新西兰的R.I.Skiner等科研人员率先开发出了可靠、经济、实用的隔震元件--一铅心夹层橡胶垫，大大推动了隔震技术的实用化进程。1969年在南斯拉夫建成的的贝斯特洛齐小学是首座采用天然橡胶隔震垫的建筑。1984年在新西兰建成的四层WilliamClayton政府办公大楼，是世界上首座以铅心夹层橡胶垫做隔震元件的建筑物。1985年美国建成第一座四层隔震大楼—加洲圣丁司法事物中心。1982年，日本建成一座二层隔震住宅，采用橡胶垫加阻尼器作隔震元件;1986年，又建成五层高技术中心，采用铅芯橡胶垫;日本在高层结构隔震方面研究应用也较深入，2000年10月，总高度93.lm共30层的东京衫并花园城竣工，成为已经建成的采用隔震技术的最高建筑物。基础隔震技术己被广泛应用在桥梁、建筑等设施上，目前大约有三十多个国家在积极开展“基础隔震技术“的应用研究。在上世纪全世界大约己建成200几幢基础隔震建筑，其中80%以上采用的是夹层橡胶垫隔震系。基础隔震是限制地震能量进入上部结构的方法。近百年来已提出了许许多多的隔震方案。常用的隔震机构和体系如叠层钢板橡胶支座、复位弹簧和平面滑板并联机构、摩擦摆体系和其它隔震、减振复合体系已用于许多实际工程。FPS实际是依靠重力复位的摩擦摆滑动机构图1，当上部结构的自振周期较短时，隔震结构的自振周期可延长至g/2RTπ，其中R是滑动球面的半径，g是重力加速度。依据同样的原理，日本公司开发了将小圆柱体置于大圆柱凹面中的摆轴机构TRD作为基础隔震装置图2。隔震结构的自振周期g2221）（πRRT，其中R1和R2分分别是小圆柱和大圆柱凹面的半径，这种机构只对摆动方向起隔震作用，为满足X、Y两个方面的隔震要求，需要应用双层结构图3，如果将小圆柱体改成小球，大圆柱凹面改成大球凹面，可以称之为滚球机构，隔震结构周期计算公式不变，只需将R1和R2看作是小球半径和大球凹面的半径即可。滚轴和滚球机构与FPS同属于重力复位的隔震机构，隔震原理是相同的，采用这些隔震机构时，系统的自振周期与上部结构的荷载都无关。但在FPS中，摩擦滑块和滑动面是面接触，且能在滑移过程中耗散能量。滚轴和滚球装置分别是线接触和点接触，不利于支承上部结构很大的重力荷载，通常只用来支承下面将介绍的调谐质量阻尼器TMD的质量块。平面摩擦滑动隔震方法由于造价较低，长期以来一直备受重视。由于上述平面摩擦滑动机构本身没有自复位能力，因此应该采用弹性或弹塑性恢复元件。在摩擦滑动隔震系统的设计中如何合理地选择或优化摩擦系数和复位刚度，保持摩擦系数长期不变等是提高隔震效果和性能可靠度的关键。叠层钢板橡胶支座隔震体系已相对比较成熟，对自振周期较短的房屋减振效果都是比较好的，技术经济指标一般也是可以接受的。其不足之处是对竖向振动一般没有减振效果，对长周期水平振动存在共振危险性，前者主要影响上部结构，后者影响到隔震支座本身的安全。近几年来国内对橡胶支座的回转刚度和系统的水平刚度和设置在底层柱顶上的橡胶支座与柱的串联刚度进行了实验和理论分析，在竖向隔震机构的研究方面现已开始受到重视。从前面提到的两次地震中的反应和有关研究结果和经验来看，以上两个问题目前在推广应用中的主要问题还是造价与常规的抗震技术相比尚属偏高。因此，需要继续研究开发经济高效的隔震橡胶支座及其配套机构，充图3双向摆轴滚动机构分发挥橡胶支座的竖向承载能力和水平变形能力。降低造价的主要途径是降低上部结构的设防标准和使用比较小的橡胶支座，但有时要承担一定风险。为确保安全，应该开展以下研究工作：1.隔震机构在大变形和后屈曲条件下的潜力、性态和必要的保护措施；2.隔震层设置限位挡块以后可能发生的撞击作用及其影响，这些问题近几年内已取得了一些进展；3.配套的上部结构和转换层设计方法，特别是在框剪结构中剪力墙底部隔震支座的设计计算和构造要求等；4.建立相应的高技术产业，进一步提高橡胶支座的性能指标，完善质量保证体系；5.开发具有自适应能力的智能型隔震系统，此外对橡胶支座隔震体系也还有一些问题值得研究，例如由于倾覆力矩引起的局部提离和受拉，固端的转动影响，高阻尼橡胶支座，复杂结构的隔震分析方法和计算机软件等。此外，隔震体系的优化设计方法也是值得进一步研究的问题。五、结语通过近几十年的发展,以橡胶隔震支座和滑移隔震支座为主的现代隔震技术已逐渐走向成熟,但还有以下问题亟待解决:（1）在高层建筑中应用隔震技术,还有以下技术难点:在长周期结构中隔震技术的应用、能承受强大竖向拉力的隔震支座开发等。（2）多维地震动控制技术的研究，现有隔震系统只能隔离水平地震，对竖向地震力减震效果不明显,需要开发出具有竖向隔震效果突出的隔震系统。（3）研究开发隔震建筑的实用设计方法和软件,尽快完成隔震建筑设计规程的制订工作。与隔震技术相关的规范还需不断完善,包括现有设计规范的不断补充和改进、隔震结构施工规范的颁布、隔震构件图集的发行等。（4）由于软土场地的建筑物在地震时往往破坏严重,在软土场地中如何采用隔震技术已成为隔震研究的重要方向。（5）新型隔震元件、隔震体系的开发。隔震支座是隔震系统的重要部件，它的安全性、耐久性、经济性决定着隔震技术的应用与推广程度。对所有隔震系统来说，未来研究最重要的领域是隔震器及其组成材料的力学性质的长期稳定性。（6）隔震结构分析方法的研究。结构的抗震设计中存在大量不确定性，如外部环境、结构本身以及计算模型的不确定性等。因此，引入随机振动理论、可靠度理论来分析隔震结构是必要的，从而可以深入研究考虑不确定性因素对结构的动力反应和可靠度的影响。（7）开发具有自适应能力的智能型隔震系统,此外对橡胶支座隔震体系也还有一些问题值得研究,例如由于倾覆力矩引起的局部提离和受拉、固端的转动影响、复杂结构的隔震分析方法和计算机软件等。（8）进一步改进和优化现有隔震建筑体系,提高现有隔震体系的质量,降低造价。参考文献：[1]曾德民.建筑基础隔震技术的发展和应用概况[J]，工程抗震1996，第3期.[2]周锡元，阎维明，杨润林.建筑结构的隔震、减振和振动控制[J].建筑结构学报，2002，第2期，2-26.[3]欧进萍，结构振动控制—主动、半主动与智能控制[M],北京：科学出版社，2003.[4]俞翔，何其伟，朱石坚，谢向荣，柔性板基础隔振系统的柔性多体动力学理论建模[J],北京，噪声与振动控制，2010，第6期，58-62.[5]孙树民，土木工程结构振动控制技术的发展[J].噪声与振动控制,2001年第1期,21-28.[6]王铁宏.基础隔振技术[J].建筑科学.1990,第三期，75-79.[7]GB50011—2001，建筑抗震设计规范[S]北京：中国建筑工业出版社2001.[8]麦敬波，复合隔震体系研究[D]，广东，广州大学．2006．[9]周福霖，工程结构减震控制[M]北京：地震出版社，1997.[10]李淼锋，基础隔震结构反应谱研究[D]，湖南，湖南大学2012.