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1、基础滑移隔震技术的主要讨论现状1引言基础隔震技术是一种进展较快的被动掌握技术，其概念早在19世纪末就由日本学者提出，20世纪初美国的J.A卡兰特伦茨首次提出了滑移隔震的构想并获得认可。从20世纪20年月开头，滑移基础隔震技术在土木工程中广泛应用，一次次的地震验证了滑移隔震相对于传统抗震技术的优势，隔震技术从根本上转变了传统的单纯靠增加结构强度进行硬抗的抗震方法，将上部建筑结构与下部地基结构隔离，设置隔震层，允许建筑物在发生地震时相对于基础做整体运动同时由于隔震层抗剪刚度很小，限制了地震作用向上部传递，同时建筑物在滑移过程中通过摩擦耗散了能量，从而达到了隔震的效果。滑移基础隔震的优点有：技术简洁
2、易行，造价较低；发生滑移位移后不影响其支座承载力，不需要平安装置；受地面运动频率特性的影响较小，几乎不发生共振现象；限制了传给上部结构的最大加速度；上部结构的设计明确等。滑移基础隔震装置通常由滑移支承元件和限位消能装置组成。隔震房屋设计也包括滑移件和限位件的设计。滑移支承元件的主要作用即支承上部建筑物的重量，承受地基与上部结构之间的相对水平位移，另一方面，延长建筑的自振周期，使结构系统的基频处于高能量地震频率范围之外，从而有效地减低建筑的地震响应。设计选用时，其摩擦材料及摩擦系数应满意隔震设防要求，并应进行滑移量及竖向承载力设计，确定型号及数量。常见的滑移支座形式有砂垫层隔震支座、石墨垫层滑动
3、支座、回弹滑动支座、钢珠滑动支座、聚四氟乙烯滑板摩擦支座、滞变摩擦基础隔震支座、直线式滑动支座等。限位消能元件不承受竖向荷载，其作用是保证风荷载作用下的稳定，限制上部结构在剧烈地震作用下的滑动位移并汲取地震能量。常见的限位消能装置有叠层钢板橡胶垫、钢弹簧、U形热轧钢板、变截面钢杆、液压阻尼器等。2基础滑移隔震的讨论现状2.1隔震结构的动力模型分析结构体系的运动方程为：mv(O+cv(t)+kv(t)=p(0=(t)+d(0+A(t)线性问题，c、k为常数，如图2L(a)o非线性问题，c、k为特别数，如图2L(b)图 2-1 (b)工程结构的振动特性可反映结构的刚度大小、吸能力量以及各振动形式的
4、关系，同时各参数的取值在结构的非线性分析中也是特别重要的。对于滑移支座，基底与支承面之间的摩擦力一般用非线性函数描述,在动荷载作用下,滑移隔震结构的动力响应表现为高度非线性,从而对应于非线性问题。为了研讨这种特性，常用的方法就是寻求一种可以代表任意房屋结构的等代体系。1 .二自由度等代体系模型图2-2所示为二自由度简化模型，它能很好地模拟多自由度剪切型结构隔震体系。在隔震体系不滑动时，这个等代体系是用单自由度体系模拟多自由度体系的基本动力特性。当隔震体系处于滑动状态时，二自由度简化模型又能很好地模拟上部结构对隔震层的反馈作用，比较接近多自由度隔震体系。2 .多自由度体系滑移隔震对多层结构的滑移
5、隔震讨论有着重要的现实意义，通常用图2-3所示的计算进行分析。认为由于支座滑移，地震作用沿竖向趋于平缓，结构底部剪力具有一上限值，即最大静摩擦力，其层间最大剪力沿楼层异于传统结构的梯形分布，肯定加速度沿楼层呈“K”形，与传统结构的倒三角分布也有很大区分。2.2双向耦合问题目前，滑移隔震结构的分析通常只考虑水平地震惊而不考虑竖向地震惊的影响，由于地震时地面水平运动加速度一般要比竖向地面运动加速度大,而结构通常反抗竖向荷载作用的力量比反抗侧向荷载的力量要强。但是，水平与竖向地面运动具有相关性，从而在不考虑竖向地震影响时会影响掌握处理。因此下面对双向耦合作用下滑移隔震结构进行分析。1 .双向耦合地震
6、作用下滑移隔震结构的动力分析模型一般来讲，滑移隔震体系的分析都采纳动力分析方法，依据摩擦滑移隔震体系的特点，对滑移隔震结构作如下假定：同一层各构件的上下移动量基本相同，变形形态为剪切变形，整个结构建立在刚性地基上，不考虑基础的提离，不考虑土与结构的相互作用。采纳层间剪切型分析图2-4所示的隔震层U型带片限位阻尼器采纳双线型恢复力模型的动力分析模型。图2-4滑移隔震结构的动力分析模型2 .滑动与啮合状态判别准则在地震作用下，滑移隔熊结构总是处于滑动状态与啮合状态不断交替之中，其状态转换的判别准则是：当下式成马上惯性力大于最大静摩擦力时，结构处于滑动状态；grnb + Em) + Czj2 + k
7、zxZnmb(xb+Xg)+Xg)I当下式成马上惯性力小于最大静摩擦力时，结构处于啮合状态。g rnb +nmb(xb+)+2m,(x+Xg)+ CiIaxj(a)首层(b)顶层图2-6滑动状态的水平受力状态2.3 土一结构相互作用以往对隔震结构进行分析时，大都假定基础是刚性的，忽视土与结构的相互作用。然而由于地基土的柔性和无限性使分析结果在对土与结构相互作用考虑与否上差异较大。此外，在场地地质条件较差时，两者结果的差异更加明显。李海岭、葛修润将频域模态分析方法加以推广，讨论土与结构相互作用对基础隔震结构的影响，在基于上部结构固定时具有正则振型的假设前提下，建立了地震激励下，SSI对隔震结构影
8、响的频域模态分析的步骤，算例表明，对于隔震结构，SSl减小刚性基础的运动，从而减小上部结构的反映，同时得出SSI对采纳隔震的结构的影响较小。ChaudharyMTA等采用针对非典型阻尼系统的两阶段识别方法，在一系列假定的基础上，依据18次地震中的加速度数据纪录，牢靠地对4座桥梁的振型和结构参数进行系统识别，得到的结论是：对于软土场地，SSl效应影响显著。陈水生、马涌泉对考虑SSl和墩底固结的两种桥梁模型分别进行隔震前后的动力特性分析，结果表明，在各种场地类型下考虑SSl对地震响应均具有放大效应，其中I、11类场地下，放大幅度较小，而在In类场地下，放大幅度较大，因此，对于In类场地进行地震分析
9、时,不能忽视土与结构的相互作用的影响。2.4 隔震结构的抗倾覆稳定性及偏心扭转1 .偏心扭转城市建筑的进展，早就了今日建筑结构的简单多变，从而导致质量中心与外形中心不重合，这样的结构在地震作用下不仅发生水平方向的平动，还会发生扭转。因此，讨论偏心扭转特别必要。1980年美国学者Lee分析了隔震结构对于减小非对称结构的扭转效应的作用，指出只要隔震层的偏心相对于上部结构的偏心程度较小，那么基础隔震的扭转反映也很小。随后，许多学者对于非对称隔震结构的扭转效应进行分析，与非隔震结构进行一系列对比，指出，非对称结构的隔震效果明显小于对称结构，但是对隔震位移影响较小。还有许多学者对于不同地质条件下的偏心影
10、响和上部结构的偏心影响做了讨论,使得,偏心扭转理论进一步成熟。对偏心隔震结构的讨论，可以从计算模型、地震输入、参数分析、扭转放大系数等方面入手。计算模型方面，主要采纳简化计算的刚片串联模型、考虑摇摆效应的质点模型、三维空间计算模型。各种模型都有计算的服务特点，一般仅仅分析考虑平-扭耦合效应时刚片串联模型应用较广泛，而考虑上部结构及隔震层损伤应使用空间三维计算模型，而对于高宽比较大的结构，建议使用考虑摇摆效应的质点模型或三维模型。在讨论地震输入对偏心隔震结构影响时，有必要对单向、双向、三向等进行方向角输入以确定不利的扭转放大效应；而详细到地震波特性，其场地、频谱特性、持时、振幅对偏心隔震结构的影
11、响也有待讨论。需要指出的是,实际的地震也具有随机特性,虽然己有讨论人员对隔震结构的随机性进行过讨论,但是对偏心隔震结构的随机性及考虑强非线性的偏心扭转时的讨论也并不充分。参数讨论相对比较简单，比较重要的参数有：上部结构质量刚度偏心距、隔震结构质量刚度偏心距。已有的讨论认为隔震层无偏心，上部结构有偏心对隔震效果有影响，由于对隔震层及上部结构反应都有影响，变化规律需要进一步讨论。一般的讨论思路是上部结构对称讨论隔震层偏心的影响，许多文献对此作了方案设计，发觉偏心距、偏心位置都对结构反应影响，但是总能选出反应较小的一种方案。目前讨论仅对上部或隔震层偏心距或位置进行讨论，而对于两者同时存在偏心的状况有
12、待进一步讨论。对于隔震结构而言，实际上无论是对称还是非对称结构都有减小地震反应，对非对称结构具有减小扭转反应的效果，一般其抗侧刚度较小，所以扭转周期相对于平动周期不大，所以比较关怀的是对隔震层峰值位移的影响，尤其是边缘支座峰值位移由于扭转效应存在，肯定程度会放大峰值位移，即所谓扭转放大系数问题，这个反应对于工程实践有重要意义，有必要进一步讨论其取值大小，详细建议结合前面三个问题综合研讨。2 .抗倾覆稳定性结构在采纳滑移基础隔震后，整个上部结构体系浮置在基底滑移层上，极易发生倾覆失稳问题。这是个及其简单的运动过程，它不仅与地面运动的条件特性有关，而且同结构的本身约束条件、高宽比及尺寸大小有关。假
13、如把隔震房屋看作为一个刚体，它在地震作用下产生的各层间位移主要是由于结构发生倾倒而产生的。采纳滑移隔震后，抗倾覆力矩只能靠自身的有效重量来供应，判别准则为抗倾覆力矩大于结构的倾覆力矩，详细形式为：nd(t)g=i=O式中P为滑动面的摩擦特性系数，/d(t)mx为总水平惯性力的最大值。当该条件不满意时，应采纳附加措施对支座或上部结构进行抗倾覆设计。3主要问题对于基础滑移，国内外的学者们讨论多年，取得了相当的成就，但是仍存在不少待解决的问题。比如，基础隔震结构的牢靠度分析及其优化设计，新型隔震元件及材料的研发、相关设计软件的开发及与其技术相适应的法律规范的制定等。工程结构设计中都要求具有肯定的牢靠
14、度，是由于结构存在着不确定性，这种不确定性主要是指事物的随机性、模糊性和学问的不完善性。对于此，引入随机振动理论、模糊数学理论及牢靠度理论进行分析。由于该问题的简单性,讨论工作不像前面问题讨论得那么成熟。JangidRSShentonHMOnteCaHO等做了关于随机振动及牢靠度方面的讨论，得出一系列的结论，丰富了关于牢靠度分析的理论。工程结构的优化设计是将有限元等数值分析方法和数学规划等最优化方法结合起来，优化改进结构设计方案的一种先进技术。隔震房屋的设计主要是隔震元件和限位消能元件的设计，从而隔震支座的平安性、经济性打算了整个隔震结构的经济可行及牢靠性。同时，隔震结构的抗倾覆主要打算因素之
15、一隔震材料的摩擦系数也对打算着隔震体系的经济及平安，因此，将来需要解决的问题也包括新型隔震元件及材料的研发。假如我们能够设计出质量好价格低的元件及材料，那么，基础隔震结构的普及便不是问题。随着隔震技术的日益成熟和广泛推广，相应的法律规范的制定和设计软件的开发便迫在眉嚏。虽然，现在己经有一些关于隔震设计的法律规范，比如说，美国在1986年颁布的基础隔段设计暂行要求，我们我国于2001年新颁布的隔震结构设计指南等,但是技术的进步要求法律规范也跟着进步，它反映的是我国在隔震设计方面的理论与实践水平，体现的是经济与技术的统一度。随着结构形式的渐渐简单化,大型设计软件的开发也是特别必要的，各个我国都在致力于此。4结束语隔震技术已经胜利应用于建筑物、构筑物、工业设施等，并且随着人们熟悉的深入和社会经济的进展，将来还会在更多更广的范围内应用。虽然滑移隔震已经在我们我国得到广泛的应用，但是限于技术和造价等因素，并没有大范围地推广。为了更好地保证工程的平安牢靠，需要理论进一步成熟，这就要求学者们对隔震作进一步的讨论。
