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摘要:本文介绍了建筑基础隔震技术的研究背景和基本原理,并在国内外相关文献分类,归纳和总结的基础上,综述了四种类型支座的特点,如橡胶隔震支座,摩擦滑移隔震支座,组合隔震支座,砂垫层、石墨层和沥青层隔震支座。并就隔震支座的发展前景提出了自己的看法。
关键词:隔震;橡胶;摩擦滑移
1建筑基础隔震技术的研究背景
从1881年日本学者河合浩藏提出在地基上设置圆木的滚轴隔震思想开始,来自世界各地的学者开始提出不同的想法。特别是近几十年来,来自世界各地的学者进行了大量的理论和实验研究,并开发了多种有效的隔震系统,并广泛应用于各种房屋建筑、公路桥梁及结构加固中。多年来,取得了显著成果,使该领域的研究成为当今土木工程学科中的热点研究课题,并且形成为一个新的学科。隔震技术具有显著的减震效果,易于实施。
2建筑基础隔震技术的基本原理及其分类
建筑结构隔震技术原理简单,减震效果显著,与传统的抗震结构体系相比具有很多优越性,已逐渐被人们认同和接收。
传统的房屋上部结构和地基被整合成刚体结构,地震时地面运动的能量经过地基传输到上部房屋结构,结构通过振动和变形耗散能量。而隔震技术则是在房屋的地基与上部结构之间增加一层隔震装置,地震时地面运动的能量部分被隔震装置耗散,从而减少了地震产生的能量传递到地面建筑物,并确保了上部结构和内部人员、设备的安全。
建筑结构隔震技术的核心是隔震支座,因此隔震技术可以按隔震装置或隔震支座进行分类。目前,中国的隔震技术主要有以下几种:叠层橡胶隔震、摩擦滑移隔震、组合隔震、摩擦摆隔震、滚轴或滚珠摩擦隔震、滚动凹面基础隔震、还有最近出现的适用于农村名居的砂垫层隔震、石墨层隔震和沥青层隔震等。由于各种原因,如结构安全性、结构可行性、经济成本等,隔震技术的研究和应用主要包括叠层橡胶隔震、摩擦滑移隔震、组合隔震,以及适用于农村名居的砂垫层隔震、石墨层隔震和沥青层隔震。
3建筑基础隔震技术的特点
3.1叠层橡胶隔震体系
橡胶隔震支座是由多层钢板与橡胶交替叠合而成,钢板用作橡胶支座的加劲材料,它改变了橡胶体垂直刚度较小的特点,使其既能降低水平地震作用,又能承受较大竖向荷载。由于橡胶作为弹性体,能量消耗不足,因此在支座中加入铅芯。铅芯橡胶隔震支座既能够承担整个上部结构的竖向荷载,延长结构周期并提供一定的阻尼,重新分配下部结构的地震力,即墩和基台,隔震层的位移是很大并且具有很好的隔震效果。同时,铅芯橡胶隔震支座又具备一定的初始水平刚度,能够抵御荷载和制动荷载的作用。
在目前这个阶段,铅芯橡胶隔震支座已经广泛应用于建筑和桥梁隔震设计中。在其使用过程中,逐渐出现了许多不利方面,同时,随着时间的推移,这种支座的力学性能也会有一定程度的降低。鉴于此,一种高阻尼橡胶支座将会在不久的将来成为其替代品。高阻尼橡胶垫具有低耗能、无污染的特点,已成为目前叠层橡胶垫隔震技术的研究热点。高阻尼橡胶隔震支座在合成橡胶和天然橡胶中加入可塑剂、补强剂、硫化剂等,使其具备较强的阻尼性能。在性能方面,它优于天然橡胶支座,应用高阻尼橡胶支座的隔震层可以不用安装其他阻尼器,打破了传统的隔震结构形式,使其布置起来更加简单。然而,由于国内对优良阻尼性能的橡胶的研究尚未取得重大进展,目前高阻尼橡胶支座的实际应用还相对较少,在日本的应用情况较好。
3.2摩擦滑移隔震体系
摩擦滑移隔震体系通过滑移装置的作用组织地震对建筑的破坏作用,其基本原理是在地面震动较小时,通过摩擦力防止上部结构滑动,使得建筑物保持稳定,并且当地面震动超过摩擦力的组织作用时,滑移面开始发挥隔震作用,即使地面震动继续增大,上部结构受到的地震影响也不会再继续增大。摩擦滑移装置主要由限位耗能元件和摩擦滑移元件组成。限位耗能元件起到稳定、耗能限位的作用,只有水平作用,不承受竖向荷载。目前,摩擦滑移隔震体系的研究应用已较为成熟,但是摩擦滑移隔震体系也有自身的缺点,也就是说,没有自我复位功能,并且在地震中会出现不可控的位移。
3.3组合隔震体系
组合隔震体系是由叠层橡胶隔震支座与摩擦滑移隔震支座并联组成,利用叠层橡胶隔震支座来改善向心恢复力,兼具两种隔震体系的优点,有效地弥补了摩擦滑移隔震体系不能自我复位的缺点,是目前最常用的组合隔震体系,在国内外均有广泛应用。国内开展关于组合隔震体系的研究相对较晚。
3.4砂垫层隔震、石墨层隔震和沥青层隔震体系
传统的隔震技术具有优越的阻尼和消能效果,一般应用于政府大楼、带有精密仪器设备的车间厂房、医院、学校、核电站等对国计民生具有重大影响的建筑结构。但在我国农村区域,面积广阔,人口众多,农民抗震意识薄弱,对地震灾害的认识不够。由于成本因素对农村民居工程建设的限制,农村民居建筑基本自建,很少设防或设防措施不到位、不合理,房屋整体抵抗地震作用破坏的能力相对较差,在地震作用下很容易导致房屋结构的破坏甚至倒塌,从而造成经济损失和人员伤亡。2008年四川汶川大地震、2010年青海玉树地震以及2013年四川芦山地震的震害都表明我国量大面广的村镇民居抵御地震灾害的能力严重不足,大量房屋损毁严重。因此,研究农村民居工程建设的减隔震技术迫在眉睫。为满足村镇地区房屋的抗震减灾需求,大量学者进行了富有成效的研究,并在村镇房屋的防灾减灾领域引入了新的隔震减震技术。
基础砂垫层隔震技术是指在房屋结构与基础之间设置主要由砂石材料组成的隔震层。
石墨材料的成本也相对较低,并且比砂粒更耐用,并且适合作为隔震层的滑移材料。
沥青也是一种很好的减隔震材料,结构简单,性能良好。
4结论与展望
本文对基础隔震支座技术特点进行了简要综述。隔震支座技术经历了数十年的发展,是一种相对成熟的被动控制技术。它的种类很多,但原理类似。目前隔震技术的研究具有以下几个特点。
1)结合两种或更多种隔震技术,例如叠层橡胶隔震支座和摩擦滑移支座,可以发挥各自的优点,弥补单一隔震技术的不足。
2)开发具有良好限位功能与阻尼耗能特性的新型复合隔震支座是未来隔震技术的发展方向。
3)竖向隔震效果与抗拉能力将是未来隔震技术研究的重点。
4)许多隔震技术都具有良好的减震效果,但在实际工程中推广的最大障碍是成本。尽管抗震规范规定:当隔震结构的阻尼系数足够小时,上部结构的抗震设防烈度可以减小一度。然而,由于缺乏工程经验,许多工程师不愿采用新技术,或者在采用新技术后不敢降低上部结构的设防烈度,从而增加了隔震结构的成本。因此,对于地震隔震技术来说,只有性价比高,才能在各种新技术中保有其生命力。隔震示范工程的多多建设也是促进隔震技术推广应用的有效手段。
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