高層建筑中隔震結(jié)構(gòu)等效簡化計算模型的應(yīng)用

葛根旺 潘隨偉

(馬鞍山學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

隔震概念最早起源于國外，經(jīng)過很多年的發(fā)展，隔震技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。目前，隔震技術(shù)已經(jīng)相對成熟了，已建成了很多隔震建筑，且這些隔震建筑經(jīng)過實驗驗證確實起到了非常好的隔震效果。如日本東京的移動鋼筋混凝土隔震建筑在面對地震時經(jīng)受住了地震的考驗，起到了很好的效果；美國的一個醫(yī)院也是采用隔震建筑的方法進(jìn)行建造的，在美國地震中，這棟建筑及設(shè)備都沒有損壞，成為當(dāng)時的防災(zāi)搶救中心；我國也有一棟隔震建筑，這棟建筑在臺灣海峽地震中仍舊良好地保存下來，且保護(hù)了建筑里面的人。采用隔震技術(shù)所建造的大樓在地震到來時能有效防止被地震破壞，盡可能地保護(hù)人類的生命與健康安全[1]。這些實際的工程實例都充分驗證了隔震技術(shù)在實際生活過程中的可靠性，隔震技術(shù)能提高原本居住地的安全性能，保障居住地人們的生命健康安全。

1 高層隔震技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國大力的推廣隔震技術(shù)，很多建筑在建設(shè)的過程中都開始使用這個技術(shù)。因此，關(guān)于隔震技術(shù)的一系列規(guī)范也都相繼公布，并已建成了利用隔震技術(shù)的工程。目前，我國國內(nèi)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計常用的方法主要是以下幾個步驟：首先，利用隔震結(jié)構(gòu)動力軟件對現(xiàn)有的建筑進(jìn)行分析，計算出目標(biāo)隔震參數(shù)；其次，當(dāng)滿足預(yù)期的隔震要求后，就應(yīng)當(dāng)對隔震建筑的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)計算，通過一些常見的設(shè)計軟件來進(jìn)行分析，仔細(xì)采集這棟建筑上的一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，盡可能的接力計算上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。在這個過程中必須要注意盡可能的簡化計算模型，尋找一個更為簡便的計算方法。筆者主要從力學(xué)特點出發(fā)研究出了一種隔震層計算比較簡便的計算方法，希望能得出一些有效的數(shù)據(jù)供設(shè)計人員使用。

2 疊層橡膠支座力學(xué)性能

疊層橡膠支座目前的制作工藝已非常成熟，且已廣泛應(yīng)用到施工的各個環(huán)節(jié)中[2]。經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)研究表明，這個疊層橡膠制作的主要優(yōu)點就是應(yīng)用到隔震體系中，其剛度很大，具有非常強(qiáng)的承載能力。但這種物質(zhì)的水平剛度比較小，水平向變量比較大。數(shù)據(jù)研究表明，鉛芯橡膠支座的計算模型可大致簡化為等效雙線性簡化模型，如圖1所示：

圖1 等效雙線性簡化模型

這種新型的支座目前在建筑工程中已廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)在一些動力分析軟件之中，如說橡膠制作的模型就會采用比較普遍的新型計算模型，這種方法提高了工作效率。

3 設(shè)計方法

目前，一部分的動力軟件可以通過數(shù)值計算來計算上述結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，但構(gòu)建內(nèi)部的截面配比在處理過程中有很大難度。經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)研究結(jié)果顯示表明，對于隔震體系如果采用加連梁的方式將會更有利于整個體系的穩(wěn)定性，能夠幫助體系在運(yùn)行過程中更加安全。因此，本文就是采用柱頂加拉梁隔層的方法來維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證隔震設(shè)計能夠更加耐用。

3.1 隔震設(shè)計

3.1.1 隔震層布置

要想精確地對隔震層進(jìn)行布置，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑的不同類別來確定橡膠制作的壓力極限值，在此基礎(chǔ)上更加細(xì)致地計算隔震支座的直徑，計算直徑后以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步確定支座制作的位置[3]。在整個調(diào)整過程中需確保最終的隔震層偏心率不超過一定的數(shù)值，也要保證最終的設(shè)計成果滿足抗風(fēng)的要求。

3.1.2 水平向減震系數(shù)的計算

水平向減震系數(shù)是在一定前提條件下經(jīng)過進(jìn)一步的計算來確定的，新抗震規(guī)范中明確規(guī)定了減震系數(shù)的數(shù)值，在此基礎(chǔ)上再計算相關(guān)的彈性數(shù)值。如果最終的計算數(shù)值顯示為高層結(jié)構(gòu)，還需要計算隔震與非隔震結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)值的最大力矩，隔震和非隔震結(jié)構(gòu)在計算過程中需要考慮所使用橡膠支座的剪切變形量，并與正確的數(shù)值相比對。在分析過程中應(yīng)按照加速度最大值從相關(guān)的規(guī)范中進(jìn)一步查詢出來，并根據(jù)最終的查詢計算結(jié)果來判定最終結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.1.3 相關(guān)數(shù)值的驗算

在相關(guān)數(shù)值計算完畢后需對數(shù)值進(jìn)行驗算，隔震設(shè)計除滿足基本的設(shè)計目標(biāo)之外還有一些具體的點需要核實，還需要校正相關(guān)隔離層的位置是否移動這些問題。這些數(shù)值都需要進(jìn)行仔細(xì)的計算并處理。在這一過程中最終的計算結(jié)果會顯示出所采用的隔震制作的最小直徑。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)我國相關(guān)政策規(guī)定及規(guī)范，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在一定的外力條件下進(jìn)行靜力設(shè)計，若設(shè)計程序中含有一些支座單元就必須要進(jìn)行詳細(xì)的處理，應(yīng)當(dāng)先選取隔震支座參數(shù)為一定數(shù)值的百分比，并將所選取的參數(shù)與水平方向的剛度設(shè)計值進(jìn)行比較。目前，大多設(shè)計軟件無法考慮隔震單元，很多設(shè)計軟件，大多數(shù)情況下都是采用多個計算設(shè)計程序的方式來對隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在這個過程中，也需要對隔震結(jié)構(gòu)的計算模型進(jìn)行簡化和修飾。按照隔震設(shè)計的最終目標(biāo)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的配比計算，最終得出數(shù)據(jù)。3.2.1 簡化計算模型

首先，應(yīng)簡化計算模型，在簡化的過程中應(yīng)當(dāng)從受力角度來分析，目前，大多數(shù)的隔震支座的彎曲變形都是可以忽略不計的，所以，在實際計算過程中可以不承受上部結(jié)構(gòu)。其次，大多數(shù)的隔震支座的水平剛度都是非常小的，在此前提下，這些支座就會產(chǎn)生一定水平的位移，所以，隔震制作就可以進(jìn)一步的簡化為一個類似于彈簧的組合，這些彈簧組合能在外力作用下進(jìn)一步地發(fā)揮作用。但在實際軟件設(shè)計過程中卻沒有彈簧組合可以選擇，為能夠應(yīng)用彈簧組合，就需要對支座進(jìn)行進(jìn)一步簡化。當(dāng)?shù)叵率覂?nèi)部的固定位置假設(shè)為無限制，且相關(guān)頂梁板的剛度很大情況下，就可把隔震支座簡化為其他類型的支座，為避免因轉(zhuǎn)換層剛度過大的情況出現(xiàn)，導(dǎo)致最終承受過大壓力的情況，也可以把隔震支座改變?yōu)楣潭ㄖё@種變化更有利于承受壓力。

3.2.2 簡化計算模型

目前，隔震層消耗了大量的地震能量，因此，在運(yùn)用過程中有著很多不同的特點。隔震層的上部結(jié)構(gòu)實際承受地震的能力大大地減小，為解決這個問題，簡化相應(yīng)的模型就會改變對應(yīng)的參數(shù)。在這種狀況下，其內(nèi)部參數(shù)也會發(fā)生很大的變化。由于隔震層變形引起附加力的變化，這種變化在簡化模型中無法詳細(xì)地計算，所以，在具體的設(shè)計過程中，需將隔震技術(shù)在施加相應(yīng)內(nèi)力后再簡化到最終的模型中。在計算相關(guān)水平地震影響系數(shù)時可以采用以下計算方法：首先，可采用隔震設(shè)計中所計算得到的最終系數(shù)，在此系數(shù)的基礎(chǔ)上來計算影響隔震結(jié)構(gòu)的影響系數(shù)。其次，根據(jù)水平隔震系數(shù)來確定上部的具體結(jié)構(gòu)，以此確定實際的設(shè)防水平。設(shè)防烈度可根據(jù)實際情況降低半度，但對應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造應(yīng)重新設(shè)計。

經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示可以證明，兩種不同方法中高層框剪體系更適合于現(xiàn)有的情況，在這種狀況下，隔震前后的數(shù)據(jù)值變化不大，且在高樓層處經(jīng)過隔震處理后，可明顯的看出最大層次的位移角有了明顯的變化，對應(yīng)的數(shù)值也有了明顯的減小[4]。所以高層框架結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過最終的證明可以發(fā)揮出真正的減震效果。

根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)圖顯示可看出，剛性體系在不隔震情況下，最終簡化模型和部分樓層間的距離都已超過國家規(guī)定要求的最高限值，在這種情況下，電算模型顯示的就更加的明顯。如果引入基礎(chǔ)隔離體系就會改善這一情況，在引入基礎(chǔ)隔離體系后對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，這種新型的隔震方式隔震效果良好，所以，在實際使用過程中可以多采用這種結(jié)構(gòu)。在使用這種隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計后會發(fā)現(xiàn)各層的樓層剪力明顯減小，且減震效率也大幅度的提高。目前，很多基底減震效率朝著兩個不同的方向在變化，最終的減震結(jié)果表明減震效果明顯。

3.3 最終的計算結(jié)果分析

本文在原有的隔震體系模型基礎(chǔ)上，根據(jù)原有數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)一步提出了高層框剪隔震體系的理論模型，這個新型的模型有利于應(yīng)用到實際之中。本文也詳細(xì)地論述了一個高層框剪結(jié)構(gòu)隔震體系的實際應(yīng)用例子，通過相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和例子驗證可以表明以下數(shù)據(jù)：首先，高層框剪結(jié)構(gòu)隔震體系簡化后的結(jié)構(gòu)模型比較接近于實際值，與相關(guān)計算機(jī)計算出來的隔震模型數(shù)值相差不大，所以，可以此模型為基礎(chǔ)來進(jìn)行高層框剪隔震體系的數(shù)據(jù)定性分析和定量分析，也可以此模型為基礎(chǔ)來進(jìn)一步設(shè)計相關(guān)的參數(shù)[5]。其次，與最終計算體系相比較。目前，由于剛接體系的整體性能都是比較強(qiáng)的，但是隔震體系一旦進(jìn)入，其效果就變得非常明顯。最終的反應(yīng)值相較于以前的體系來說更小，所以，最終的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以證明這種新型的剛接框架結(jié)構(gòu)更適合隔震體系。

4 工程實例分析

某一個六層的鋼體混凝土框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)建設(shè)完畢，這個框架結(jié)構(gòu)的隔震層設(shè)置在頂端，而且隔震層的高度為1.5m，首層層高5.1m，通過對該地的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行測量后得出該建筑的隔震結(jié)構(gòu)周期相較于其他建筑來說比較大，且該建筑的隔震周期是非隔震周期的3倍左右。對相關(guān)的計算模型進(jìn)行簡化后可以得出最終的數(shù)據(jù)，各個數(shù)據(jù)的分析結(jié)果比較，如下頁表1所示。

表1 數(shù)據(jù)的分析結(jié)果比較

4.1 樓層動力響應(yīng)比較

簡化計算模型的動力響應(yīng)經(jīng)過計算與簡化其他類型模型的動力響應(yīng)非常接近，其平均值都維持在一定數(shù)值之內(nèi)。簡化計算模型和隔震計算模型都應(yīng)維持在不同的分布形式，只有這樣才能使建筑更加穩(wěn)定。通過相關(guān)的計算分析結(jié)果可知：簡化計算模型與隔震計算模型加速度比值為0.38，所以，兩種不同類型的模型非常接近，在實際應(yīng)用過程中需進(jìn)行仔細(xì)的辨別。

4.2 框架柱力比較

在外界地震作用下，柱子很容易出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，為防止柱子大幅度倒塌被損壞，應(yīng)充分關(guān)注柱子的彎切內(nèi)力。柱子所能承受的最大彎曲程度與剪力有著密不可分的關(guān)系，且主軸方向的框架最終的受力方向也會受到剪力的影響。本文給出了相關(guān)剪力的實際情況。通過數(shù)據(jù)分析，可以得知由于基礎(chǔ)連接方式存在著很大的不同，使隔震層處的力度彎曲程度也有很大區(qū)別。所以，在建造建筑物過程中需選擇合適的柱子，應(yīng)當(dāng)對柱子的各項數(shù)據(jù)性能進(jìn)行精確的考察，選擇更加安全的柱子來應(yīng)用。

4.3 轉(zhuǎn)換層梁內(nèi)力

在設(shè)置隔震層后，上面的結(jié)構(gòu)需要通過隔震層才能將受力進(jìn)一步傳遞到下部結(jié)構(gòu)。在這一過程中，為保證上部結(jié)構(gòu)能盡可能的穩(wěn)定，應(yīng)將隔震層頂部設(shè)置成梁板式樓蓋結(jié)構(gòu)，且在設(shè)計此結(jié)構(gòu)時要確保板子的厚度維持在一定的數(shù)值之內(nèi)，不能過大，也不能過小。梁板的剛度和承載力一般來講都會大于一些普通的建筑結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

本文結(jié)合隔震層的力學(xué)特性及隔震層的實際框架結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了詳細(xì)分析，隔震結(jié)構(gòu)的上半部分結(jié)構(gòu)比較簡單，大致上可分為鉸接和固接兩種不同的形式。這兩種形式各有其特點。以一棟六層框架結(jié)構(gòu)的簡化模型為例進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析，最終得出以下結(jié)論：目前簡化計算模型的周期與傳統(tǒng)建筑的原有周期數(shù)值非常接近，大約維持在一定比例之內(nèi)。簡化計算模型上部結(jié)構(gòu)的位移數(shù)大于隔震計算模型，但經(jīng)過數(shù)據(jù)測算，其加速度值卻小于隔震計算模型。經(jīng)過分析表明兩種不同的模型上部結(jié)構(gòu)的柱子所受的外界力度基本相同。