当前世界环境

介绍

隔震系统是减少地震对结构的不利影响的一种适当的解决方案。当目标是保护建筑中的结构构件或重要设备时，可以使用隔震器来限制地面振动运动产生的能量传递给建筑。在这种方法中，当地震发生时，结构变形集中在高度柔性轴承上，结构作为具有小变形的刚性物体经历振动。隔震系统对于低层和相对刚性的结构是有效的，而对于高层和软建筑则不那么有效。建筑中安装的隔震系统导致了结构基本周期的大幅增加。因此，在使用隔震系统时，结构地震变形的所有需求都集中在这些系统上。因此，作用在主体结构上的地震力显著减小。在滑动轴承的研究中，适当的摩擦系数将控制转移到上部结构的力和结构的侧向位移。为了在有滑动轴承的系统中产生恢复力，建议同时使用橡胶和滑动轴承。这样，系统中的恢复力由橡胶支座提供，而能量耗散过程由滑动支座运行。 In developing numerical models of the behavior of the system of interest it is necessary to consider the combination of the behaviors. However, research results along with relevant codes and regulations clearly reflect the effect of using isolators on the seismic behavior of structures. The system using a combination of rubber and sliding bearings demonstrates the following behavior:

1. 使用橡胶轴承以增加结构的自然时期;
2. 使用滑动轴承来控制转移到上部结构的最大力，以耗散轴承上的能量，并限制轴承的位移

本文的研究结果将为钢结构同时使用橡胶隔震器和滑动隔震器对钢结构抗震性能的影响提供一个合适的评估框架。这两种隔离器的组合有望具有吸收能量并恢复到初始状态(恢复)的能力。

方法

加速度图的结构建模和规范

本研究采用4层和8层三跨钢框架的二维分析模型。使用摩擦系数为1、2和4的橡胶和滑动轴承对这些框架的性能进行了检验。框架跨度为6米，主要楼层高度为4米。在SAP 2000 V16中对框架进行建模、分析和设计。具有平均塑性的钢框架用于2型土，并根据2800-84标准在一个相对容易发生地震的位置进行加载¹框架采用国家建筑规范第10节中介绍的极限法进行设计。图(1)显示了本研究中使用的柱和梁的截面。

图1:4层和8层带支座的三跨框架截面规格 点击这里查看图

采用非线性响应历史分析方法，结合加州矿山地质部门(CDMG)提供的14张加速度图进行了动力分析。考虑到近源和远源效应，选择了适用于建筑隔震系统建模的地震。表(1)和(2)给出了这些加速度图的规格以及它们的强度和位置信息⁴

表1:近场加速度图的规格 点击这里查看表格

表2:远场加速度图的规格 点击这里查看表格

分析模型

与其他隔震系统相比，平滑动隔震系统的分析过程简单，因为其性能不是其大小的函数。两个参数用于定义这些隔离系统的特性:

1. 特征强度，用Wμ表示，其中μ为滑动面摩擦系数，W为总地震重。
2. 对于平面滑动轴承，假定屈服后刚度为零。

在滑动轴承中，使用具有高初始刚度的完全弹性塑料元件。该元素的屈服点是速度和垂直压力的函数。任何可能的隆起都将伴随间隙元件，隆起期间的剪切强度为零。在该研究中，使用了1,2和4的不变摩擦系数。

塑料系统被建模为线性弹性弹簧，屈服点非常大。两种隔离系统都是基于地震期间结构的有效重量计算的，并且内部和外部隔离系统的结果不同。⁵

结果和讨论

在本节中，影响隔震结构隆升的参数，如远地地震和近地地震的影响，层数，结构跨径数，隔震周期的影响。对有和没有隔振系统的系统进行了上述参数比较。

框架动态特性

表(3)给出了4层和8层框架(3和5跨)在没有或存在摩擦系数为1、2和4的隔震器时的动力特性。表中所示的动力特性包括主要三种模态的结构周期和模态参与质量比。隔振器的存在使第一模态参与质量比增加。

表3：帧的动态特性： A)八层三跨框架(左边) B)四层三跨框架(右图); 点击这里查看表格

恢复力的控制

根据UBC的说法，当位移是设计位移的三倍时，在没有恢复力的情况下设计系统是必要的。这显著影响了P-Δ力、分离距离、隔离成本等因素。系统的设计应尽可能产生恢复力。

恢复力定义为至少为位移中途产生的力的0.025W倍的设计位移力。恢复力条件是一个完整的条件，并不仅仅适用于地震。因此，当整体力作为地震重量的一部分很小时，在地震活动性较低的地区可能会造成问题。在这些区域，有时不可能将滑动轴承纳入隔离系统，并遵循UBC的要求来恢复力。然而，在地震活动性较低的地区，可以对计算出的地震位移的三倍进行设计和详细的程序。⁶

表4:恢复力控制的规格 点击这里查看表格

隔离周期的影响

隔震器周期对建筑基底剪力的影响

图(2)为一榀8层三跨框架、一榀8层五跨框架、一榀4层三跨框架和一榀4层五跨框架近场和远场动力分析结果。

图2:隔震器周期变化对建筑基底剪力的影响 点击这里查看图

结果表明，隔震周期的变化对建筑基底剪力有较大的影响。然而，跨数的增加对隔震结构的性能没有显著的影响。

隔震周期对基面位移的影响

图(3)为一榀8层三跨框架、一榀8层五跨框架、一榀4层三跨框架和一榀4层五跨框架近场和远场动力分析结果。

图3:隔震周期对基面位移的影响 点击这里查看图

隔震周期对顶板水平位移的影响

图(4)为一榀8层三跨框架、一榀8层五跨框架、一榀4层三跨框架和一榀4层五跨框架近场和远场动力分析结果。

图4:隔震周期对顶板水平位移的影响 点击这里查看图

如上所述，4层隔离建筑中的最大屋顶位移非常接近近场地震的基础水平，低于远场地震的基础水平。8层隔离建筑的最大屋顶位移也非常接近近场地震的基础水平，远低于远场地震的基础水平。因此，得出结论，在中升建筑物中，组合隔离器的就业持续时间的增加可能导致最大屋顶位移的减少。显然，随着故事的数量增加，组合的隔离系统将减少与基础电平相关的最大屋顶位移。

应防止过度的位移，以获得适当的结构设计。另外，导致结构破坏的因素之一是P-Δ效应。因此，当隔振器上方位移水平增大时，对隔振器的P-Δ效应增大，导致隔振器的破坏。因此，为了获得理想的设计，设计人员必须找到减小基底剪力和增加位移的设计结构周期的逻辑关系。

隔振器周期对层间漂移的影响

图(5)为一个8层五跨框架和一个4层五跨框架近场和远场动力分析结果。

图5隔离器周期对层间漂移的影响 点击这里查看图

如图(5)所示，刚性结构(4层建筑)层间位移下降约60%。这一结果对此类结构的设计有一定的指导意义，因为隔震器可以使各层间的位移分布均匀，从而减小结构的倾覆力矩。值得一提的是，从上图可以看出，在刚度较小的结构中，隔振器对层间漂移的影响较小。

由上图可以看出，孤立结构在远地地震中的层间漂移(相对于基准面)的减小明显高于近地地震中的层间漂移。然而，不同隔震周期的结构在远地和近地地震中的性能差异可以忽略不计。

检查理想的设计

如前所述，一个3到4秒的周期以及正在研究的轴承组合给出了一个理想的结构设计。设计时期的增加将导致近地点剪切减少，减少故事际漂移，增加基地位移，屋顶水平位移的减少，际故事中的下降加速，恢复力的产生。

结论

研究结果总结如下:

1. 在4层和8层结构中，转移到基础上的剪力下降，较刚性结构(4层结构)的剪力下降幅度较大。也就是说，与典型框架相比，带有隔震系统的结构传递的基底剪力从50%左右下降到80%左右。这一趋势在所有的加速度图中都可以看到。虽然在9层楼的框架中减少不是如此剧烈，但基底剪力的减少是可以忽略不计的。

• 与近地地震相比，远地地震中隔离器周期的增加会导致转移到基底的剪切力的更大增加。
• 滑动轴承摩擦系数的增大导致传递到基座的剪切力增大。

2. 根据在结构中使用隔振器得到的结果，可以认为周期的增加导致结构漂移的增加。周期内的增量越小，从约束状态开始的位移越小。

• 远地地震中隔震周期的增加几乎不随基准面漂移而变化。然而，随着周期的升级，近地地震的基准面漂移显著增加。
• 滑动轴承的摩擦系数的增加导致基部漂移的减小。

3. 与约束状态相比，隔震导致横向位移增加。

• 随着隔震周期的增加，近场侧向位移的增加将大于远场侧向位移的增加。在远地地震中使用隔震器比在近地地震中使用隔震器更有效。
• 滑动轴承摩擦系数的增加将导致建筑物中横向位移的升高。

4. 近场地震中的4层隔离建筑中的最大屋顶位移非常接近基层，但低于远场地震的基础水平。同样，在近场地震中的8层隔离建筑中的最大屋顶位移非常接近基层，但低于远场地震的基础水平。

• 在中高层建筑中，随着时间的增加，可以使用这种隔离组合来减少最大的屋顶位移。显然，随着层数的增加，这种组合隔震系统的使用将减少屋顶相对于基础水平的最大位移。
• 滑动轴承摩擦系数的增加导致最大屋顶位移的生长。

5. 刚性结构的际故事漂移（4层建筑）下降约60％。这一发现对于设计非常有用，因为隔离器分配了所有故事中的漂移，因此减少了结构的推翻时刻。在更柔软的结构中，隔离器对故事际漂移造成较小的效果。

• 与近地地震相比，远地地震中隔离器周期的增加导致层间漂移的显著减少。
• 滑动轴承摩擦系数的增加会导致层间漂移的增加。

6. 在这项研究中，结构行为稍微不同于隔离结构的行为，随着数量的数量的增加，特别是在具有超过8个故事的高层建筑物中。结果，这些建筑物的特征与克制的建筑物相似。
7. 如前所述，一个3到4秒的周期以及正在研究的轴承组合给出了一个理想的结构设计。设计周期的增加会导致基底剪力减小，层间位移减小，基底位移增大，顶板水平位移减小，层间加速度减小。当摩擦系数为4%时，组合系统的性能更理想。
8. 与上部结构体系无关，最大4层的隔离钢结构表现出相对刚性的行为。因此，这些结构的性能水平非常高，它们被认为是理想的隔离系统的使用。随着上部结构层数的增加，高层模态的影响变得更加明显。一般来说，隔离建筑上部结构层数的增加会导致层间漂移的增加，从而降低此类建筑在类似条件下的抗震性能。
9. 随着结构周期的增加，产生恢复力的潜力下降。因此，远地地震产生恢复力的潜力远高于近地地震。此外，摩擦系数的增大也有助于电势的减小。
10. 隔震系统周期的变化对结构在不同地震危险等级下的抗震性能有很大影响。也就是说，隔震钢结构的抗震性能受到该参数的显著影响。报道数量的增加也将加剧这种影响。
11. 结构的自然周期的增加导致其地震反应的降低和结构加速度下降。结果，结构构件中的力量下降，并且对结构导致的损害程度也下降。虽然高层较柔软的建筑物的加速度降低低于刚性结构，但它不能被忽略。在远地地震中观察到的减少远远大于近地地震。

参考文献

1. 建筑抗震设计监督常设委员会，建筑抗震设计规范2800-84标准，(德黑兰建筑和住房研究中心，2009)。
2. 国家建筑规范发展和促进办公室，钢结构设计与实施专题10，(德黑兰，投掷伊朗出版物，2009)。
3. PEER(太平洋地震工程研究中心)强震数据库，加州大学伯克利分校，http://peer.berkeley.edu/。
4. 张志强，张志强，梁志强，隔震结构设计的理论与实践，(土木工程学报，1992)。
5. Salehin, A和Muhammadi, H，抗震隔震器的设计与实现，(第一版，德黑兰，法拉曼德·阿德纳大学出版社，2014)。
6. 房屋和城市发展部专业委员会，建筑物的建筑物设计规范，地震孤立器，（建筑和住房研究刊物，2010年）。
7. 国家管理和规划组织，既有建筑修复规范，期刊号:360，技术副，技术副办公室，(标准制定和降低地震风险司，2006)。
8. 国家建筑规范发展和促进办公室，建筑荷载(议题6)，(第二版，德黑兰，投掷伊朗出版物，2006)。
9. 技术系统局战略监督副局长，《建筑隔震系统设计与实施指南》523(2010)。