發布時間：2021-02-06所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：基礎隔震技術在減震控制效果、防災減災以及社會經濟效益等方面具有顯著優勢，近幾十年在建筑結構與橋梁工程領域中取得了成功應用。該文全面綜述了國內外學者針對建筑基礎隔震技術方面取得的研究成果以及工程應用研究現狀，總結了目前建筑基礎隔震技術
摘要：基礎隔震技術在減震控制效果、防災減災以及社會經濟效益等方面具有顯著優勢，近幾十年在建筑結構與橋梁工程領域中取得了成功應用。該文全面綜述了國內外學者針對建筑基礎隔震技術方面取得的研究成果以及工程應用研究現狀，總結了目前建筑基礎隔震技術研究方面存在的不足，為建筑基礎隔震技術進一步的研究工作的制定提供參考，同時通過對隔震技術在高層建筑領域中取得的進展及存在問題的闡述，討論了我國高層建筑結構隔震技術研究的下一步發展方向，對隔震技術在我國高層建筑結構領域中的應用起到一定的促進作用。
關鍵詞：隔震支座;SMA阻尼器;減震控制;高層建筑;研究現狀
建筑物結構隔震技術是20世紀60年代出現的一項新技術，多年來，世界各國學者對此項技術開展了廣泛、深入的研究，并取得了引人注目的成果，使這方面的研究工作成為當今土木工程學科中的熱點研究課題，并且形成為一個新的學科分支。隔震技術是目前工程中應用最多的一種減震控制技術。由于其易于實施、減震控制效果好，正受到越來越多國家的重視[1―2]。
隔震技術的本質作用就是使結構和(或)構件與可能引起破壞的地震地面運動分離開來。這種分離或解耦是通過增加系統的柔性和提供適當的阻尼來實現的[2]。結構隔震體系按隔震機理的不同劃分，目前主要有：疊層橡膠墊隔振體系、滑動摩擦隔振體系、組合隔震體系、摩擦搖擺體系、滾軸或滾珠摩擦隔震體系、滑動凹面基礎隔振體系、還有最近出現的適用于農村民居的鋼筋瀝青隔震體系及砂墊層隔震體系等。由于各方面的原因，例如，結構安全性、結構可行性、造價的經濟性等，隔振體系研究和應用較為廣泛的主要是包括疊層橡膠墊隔震體系、滑動摩擦隔震體系、組合隔震體系，以及適用于農村民居的鋼筋瀝青隔震體系和砂墊層隔震體系。
1建筑隔震技術的研究現狀
常用的疊層橡膠墊主要有三種：天然夾層橡膠墊、鉛芯夾層橡膠墊、高阻尼橡膠墊。高阻尼橡膠隔震技術，因其所特有的耗能優勢及無污染特點目前正成為研究的熱點。
1.1高阻尼橡膠隔震支座
高阻尼橡膠隔震支座的構造與天然橡膠支座類似，不同之處在于，在天然橡膠和合成橡膠的橡膠聚合物中，加入添加劑、補強劑、可塑劑、硫化劑等配合物，制成高阻尼橡膠支座(HRB支座)，從而使其不僅具備天然橡膠支座的水平和豎向性能外，還具有較強的阻尼性能。由于其綜合了彈簧和阻尼器功能，設計時可以不在隔震層安裝其他阻尼器，因此高阻尼橡膠隔震支座代替了傳統隔震結構所采用的隔震支座加阻尼器的結構形式，使隔震層的結構布置簡單規則。目前這種阻尼器在日本有一定的應用，在國內，由于具有優良阻尼性能的橡膠沒有取得較大進展，目前高阻尼橡膠支座在國內工程應用較少。
1)高阻尼橡膠隔震支座的基本力學性能。
具有高阻尼性質的橡膠增強了支座抗水平變形的能力，但對其豎向變形能力沒有太大影響，為了增加高阻尼橡膠支座的豎向承載能力以及限制其水平過大變形，一般在高阻尼橡膠支座中加入疊層鋼板。橡膠材料由于水平剛度較小，因此在水平荷載作用下，其具有較好的水平變形能力。高阻尼橡膠支座由于加入了一系列的高阻尼材料，在一定程度上增加了支座的阻尼，因此高阻尼橡膠支座除了能夠提供一定的水平變形能力以外，其對水平變形還具有一定的抵抗作用，這種抵抗作用使它吸收地震能量的能力比普通的橡膠支座要強，起到一定的自復位效果。高阻尼橡膠隔震支座由于具有阻尼功能，其滯回曲線較為豐滿。高阻尼橡膠支座在小變形領域剛度較大，隨著變形的增大，其剛度會軟化，在剪應變超過200%后開始硬化。
高阻尼橡膠隔震支座是在天然橡膠和合成橡膠的橡膠聚合物中，加入添加劑、補強劑、可塑劑、硫化劑等配合劑制作而成的。添加的聚合物使高阻尼橡膠隔震支座具有較復雜的非線性特性。由于高阻尼橡膠隔震支座中內部材料的不均勻性，在動力荷載作用下，內部復合材料會發生細微結構的損傷，從而會導致高阻尼橡膠隔震支座喪失較大的剛度,同時耗能特性也會相應降低。在通常情況下，上述剛度及耗能特性損失現象在很大程度上依賴于加載歷史路徑及高阻尼橡膠隔震支座在加載過程中發生的最大變形。因此在采用數值模擬對高阻尼橡膠隔震支座的動力特性進行模擬時必須考慮上述的剛度及耗能特性折減現象。
在一些國家的規范中[3―5]，關于高阻尼橡膠隔震支座的本構模型被指定采用Bi-Linear模型。然而根據最近一些學者[6―10]的研究表明高阻尼橡膠隔震支座的力學特點具有應變率遲滯特性。不同的應變率下，高阻尼橡膠隔震支座的應力-應變本構關系在加載過程中表現出了明顯的應變率滯回現象，在卸載過程中也呈現了一定的應變率滯回特性。然而，傳統的Bi-Linear模型由于初始剛度及折減剛度的數值為定值，因此不能有效模擬應力-應變本構關系隨著應變率的變化而出現的滯回現象。
為了克服傳統雙折線模型在高阻尼橡膠隔震支座中應用的缺陷，Sano及Di-Pasquale[11]依據Davienkov-Martine法則提出了一個非應變率相關模型來近似等效考慮在不同的應變條件下高阻尼橡膠隔震支座的剛度的折減及阻尼的變化。Kikuchi及Aiken[12]等將Bi-Linear模型與Ramberg-Osgood模型相結合的方式，同樣也提出了一個非應變率相關模型來近似模擬高阻尼橡膠隔震支座的本構關系。Abe等[13]提出了一個雙向彈塑性模型，來考慮在雙向加載條件下，高阻尼橡膠隔震支座的應力應變本構特性。然而以上所提到的數值模型有一個共同特點，它們考慮了在不同應變條件下高阻尼橡膠隔震支座剛度的折減及阻尼的變化，但是沒有將應變率對高阻尼橡膠隔震支座本構關系的影響考慮進去。
考慮應變率的高阻尼橡膠隔震支座本構模型的相關研究并不是很多，Hwang等[9]開發了一個模擬高阻尼橡膠隔震支座的阻尼及回復力模型。通過循環荷載試驗，得到高阻尼橡膠隔震支座的在加載過程中的應力、應變等相關參數，利用非線性最小二乘法對試驗數據進行擬合，將剛度和阻尼系數用一系列的與高阻尼橡膠隔震支座的相對位移及速度相關的高次多項式進行表達。Hwang等所提出的高阻尼橡膠隔震支座的非線性模型中考慮了應變率因素的影響，但是這種應變率的影響是通過非線性最小二乘法的模擬得到的，因此其非線性模型缺乏相應的物理基礎。Tsai等[14]以增量形式提出了一個應變率依存數值模型來模擬高阻尼橡膠隔震支座的非線性本構關系。該模型用應變、速度誘導力等參數來描述高阻尼橡膠隔震支座在荷載作用下的恢復力，然而，這種數值模型，無法清晰的闡述如何將速度誘導力從整個恢復力中分離出來，速度誘導力的物理意義不明確。Dall’Asta等[6]通過對高阻尼橡膠隔震支座進行了大量的循環荷載剪切試驗及簡單的松弛試驗確定了高阻尼橡膠隔震支座的受力特性對加載過程中應變率的依存性。在依據大量試驗數據的基礎上，Dall´Asta等提出了高阻尼橡膠隔震支座的應變率依存非線性數值模型。但是這種應變率依存非線性數值模型由于加載條件比較單一，因此無法很好的用來模擬實際復雜使用情況下對高阻尼橡膠隔震支座的加載及卸載特性的描述。Bhuiyan等[10]為了能合理提出一個考慮應變率依存性的高阻尼橡膠隔震支座的非線性模型，對高阻尼橡膠隔震支座進行了一系列的循環荷載剪切試驗、分級的松弛試驗及單調的松弛試驗。提出了一個考慮高阻尼橡膠隔震支座非線性特性的流變模型。由于高阻尼橡膠隔震支座復雜的非線性應力-應變本構關系，如何提出一個合理的非線性模型來模擬高阻尼橡膠隔震支座的動力特性仍有待進一步的完善。
2)高阻尼橡膠隔震支座+SMA阻尼器。
由于高阻尼橡膠隔震支座在強地震作用下，有可能產生較大的支座位移，從而可能導致高阻尼橡膠隔震支座產生不可恢復的殘余變形，因此為了保證隔震層的有效性及安全性，在地震烈度較大區域，一般會采用高阻尼橡膠隔震支座與阻尼器組合使用的形式。目前主要在建筑工程領域使用的阻尼器類型有粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、壓電摩擦型阻尼器及SMA(形狀記憶合金)阻尼器等，SMA阻尼器因其具有超彈性特性和高阻尼特性，目前在隔震領域里正在逐步形成一個新的科學分支[15―16]。利用SMA的特性制作阻尼耗能裝置最早是由Graesser和Cozzarelli[17]提出的。自此以后，SMA阻尼耗能裝置的相關研究在國內外得到陸續開展。
國外SMA阻尼耗能裝置研究：1)各種樣式的阻尼器相繼研發成功，并對其性能進行了測試。美國加州大學地震工程研究中心Peter[18]等研制出一種用于土木結構地震反應的SMA被動阻尼裝置，它的設計采用了多股超彈性Ni-Ti索纏繞到2個距離固定的橢圓型柱上,該裝置稱為單面阻尼器。如果將兩個單面阻尼器組合起來,可制成雙面阻尼器。性能測試結果表明,這種阻尼器具有穩定的遲滯性，受頻率等因素的影響較小;美國加州E.SorbSystem的Robert[19]研制了另外一種SMA雙面阻尼器，稱為CT裝置。裝置的性能測試是在加州大學地震工程研究中心的一臺帶溫控的臥式平面試驗機上進行的。結果表明，在允許的范圍內，該阻尼器性能不受頻率影響，而且抗疲勞性能良好;DolceM等[20]介紹了兩種基于形狀記憶合金的被動控制裝置，試驗結果表明，這兩種被動控制裝置在大應變循環下具有優良的抗疲勞性、耐久性和可靠性。2)SMA阻尼器對土木工程結構的減振效果研究。Williams、Chiu和Bernhard[21]采用3副形狀記憶合金絲和1副鋼絲制成適應式減振器，并研究了這種減振器對梁的減振能力，提出此種減振器有希望發展成一種高效的振動被動控制技術;AdachiY等[22]則提出一種形狀記憶合金阻尼器，通過一系列的振動臺試驗，發現其能有效減小橋梁結構的地震反應，尤其是在形狀記憶效應階段，阻尼器的工作效果更好;Tamai等[23]將SMA棒和鋼筋復合在一起，形成一個耗能支撐裝置，并將其安裝在一框架結構上，試驗結果表明，這種耗能支撐裝置可有效耗散結構輸入的地震能量，并且在震后很容易進行修復和置換。
3)SMA阻尼器。
在實際工程應用方面，意大利的IndirliM等[24]通過深入的理論論證，采用SMA作為加固元件對意大利的教堂鐘塔進行加固。在2000年的地震中，教堂鐘塔沒受到任何破壞，形狀記憶合金裝置有效控制了地震加速度和能量的輸入。采用SMA裝置加固與傳統加固方法相比，其優越性在于既能起到很好的加固效果，又能保證古建筑的完整性，這是一例成功應用于古建筑修復的事例。
在國內，土木工程界的學者也進行了大量的研究工作。彭剛等[25]對形狀記憶合金耗能阻尼器設計理論方法進行了研究。以Brinson本構模型為理論依據，建立了阻尼器的熱力學非線性方程及其求解方法，并利用MATLAB編制的計算機軟件進行了數值仿真計算。計算結果表明，形狀記憶合金阻尼器具有較強的耗能能力;歐進萍等[26]就X形和三角形SMA板式阻尼器的阻尼力滯回模型進行了推導;李忠獻等[27]提出應用形狀記憶合金對斜拉橋的參數振動實施半主動控制，并數值模擬了其控制效果。結果表明，對斜拉橋參數振動進行SMA半主動控制，不僅大幅降低了斜拉索和橋面板的振動，而且能夠有效抑制斜拉橋參數共振的發生;薛素鐸等[28]提出一種新型SMA阻尼器，并對其在大跨空間結構中的減振控制理論和方法進行了相應的探討。地震反應時程分析表明，SMA阻尼器可有效減小結構地震反應;張繼剛等[29]研制了一種錐形SMA阻尼器，并對其進行了性能試驗。試驗結果表明，這種SMA阻尼器具有良好的自復位能力，但其耗能能力和疲勞性差于絲材的SMA阻尼器;HanYulin等[30]設計了一種拉壓扭超彈性SMA阻尼器，并進行了耗能試驗研究;左曉寶[31]研制了一種變剛度復合摩擦SMA阻尼器，試驗結果證明，其具有輸出控制力大、耗能能力強等特性。李宏男等[32]利用超彈性SMA絲的耗能能力和自復位能力，提出了一種新型的SMA阻尼器，試驗研究了該阻尼器在循環荷載作用下不同位移幅值、不同加載頻率和不同初始位移條件下的力學性能，并通過建立的理論模型對阻尼器的力學性能進行了數值模擬。研究結果表明：開發的新型SMA阻尼器在循環荷載作用下形成穩定的滯回曲線，具有良好的耗能能力及自復位能力。
縱觀近幾年的研究現狀，SMA阻尼器可以分為以下三類：1)SMA超彈性阻尼器，這是研究最多的一類阻尼器。這類阻尼器主要利用SMA超彈滯回耗能特性，達到耗散結構輸入的能量。同時，在中等或小的受載情況下，其不會產生永久變形和位移，使SMA阻尼器具有自復位功能。2)SMA形狀記憶阻尼器。這類阻尼器主要是利用SMA的形狀記憶效應和馬氏體階段SMA具有很高的阻尼特性研制的。由于SMA具有熱滯效應，因而限制了這類阻尼器的應用研究。隨著SMA材料性能的改進和加熱方法的深入研究，這類阻尼器將會有很大的應用前景。3)SMA復合阻尼器。這類阻尼器是將SMA與其他材料復合在一起制成阻尼器，從而使兩種材料達到優勢互補，提高阻尼器的性能。這也是研究比較多的一類阻尼器，試驗也證明其具有很好的減振耗能特性。
目前已經發現的SMA材料的種類有上百種之多，其中被普遍認為具有實用價值且比較常用的主要有近等原子比Ni-Ti合金、Cu基形狀記憶合金和Fe基形狀記憶合金。其中Ni-Ti合金作為一種基礎材料被廣泛應用于土木工程領域中的阻尼器設計中。Ni-Ti記憶型合金最早是1960年被Buehler等[33]提出的。
Ni-Ti記性型合金具有以下特征：1)彈性應變區域較大;2)滯回阻尼特性;3)高效可靠的耗能機制;4)在6%應變之后會出現應變硬化現象;5)卓越的低-高周疲勞性能;6)優越的耐腐蝕性能;7)形狀自回復能力;Ni-Ti記憶型合金由于具備以上所提的超彈性及形狀記憶特性而被目前廣泛的應用在工程的各個領域。
Han等[34]開發了一個同時考慮拉伸、壓縮及扭轉方向的動態阻尼器，Han等研發的動態阻尼器包括兩個同心管以及Ni-Ti記憶型合金。能量主要通過Ni-Ti記憶型合金進行耗散。通過大量的試驗表明，能量通過內外管道耗散量的大小與內外管道內Ni-Ti記憶型合金的布置數量有很好的對應關系。
Clark等[35]對將Ni-Ti記憶合金線纏繞在圓柱形的支撐構件上所組成的阻尼器支座進行了大量的試驗研究，試驗結果表明，Ni-Ti阻尼器支座具有很好的動力性能，能很好的控制上部結構的地震反應。為了實現在不同環境溫度效應下，Ni-Ti記憶型合金阻尼器能夠充分發揮去作用效能，一些學者[36―37]研制開發了一種能兼顧不同溫度效應影響的Ni-Ti記憶型合金阻尼器，它的主要構造原理是在阻尼器中配置不同配置不同種類的Ni-Ti記憶型合金以滿足在不同溫度條件下阻尼器都能夠很好的進行能量耗散，從而對結構動力效應起到控制作用。——論文作者：朱宏平，周方圓，袁涌
相關期刊推薦：《工程力學》是中國科協主管、中國力學學會主辦，清華大學土木工程系承辦的以工程應用為特點的全國綜合性學術刊物。它主要報導力學在工程及結構中的應用，刊登力學在科研、設計、施工、教學和生產方面具有學術水平、創造性和實用價值的論文，包括力學在土木建筑、水工港工、公路鐵路、橋梁隧道、航海造船、航空航天、礦山冶金、機械化工、國防軍工、防災減災、能源環保等工程中的應用且具有一定學術水平的研究成果。
SCISSCIAHCI
