工程结构多维隔减震研究现状

工程结构多维隔减震研究现状摘要:一些复杂和重要的工程结构需要考虑多维地震激励作用，地震的地面运动是一种复杂的多维激励，因此只考虑单分量地震作用是远远不够的，单维与多维地震作用下结构的反应是不同的，工程结构的多维隔减震是一项重要的研究内容。本文综合论述了多维地震作用下结构的响应分析方法，系统介绍国内外研究成果，详细描述了结构多维隔减震装置和抗震结构体系。最后提出结构多维隔减震需要进一步的研究展望。关键词:工程结构；多维地震激励；隔减震；试验研究ResearchstateofseismicisolationandmitigationtechnologyinengineeringstructureAbstract:Multi-dimensionalseismicexcitationsareconsideredwhileanalyzethecomplexorimportantengineeringstructures.Earthquakeexcitationisakindofcomplicatedmulti-dimensionalgroundmotion.Therefore，itisnotenoughtoconsideronlythesingle-dimensionalearthquakeexcitation，andtodayanti-earthquakeforengineeringstructuresundermulti-dimensionalearthquakeexcitationshasbecomeanextremelyimportantresearchtopic．Inthispaper，theoriesofresponseanalysismethodsforstructuresundermulti-dimensionalexcitationsaresystemicallyintroduced．Characteristicsoftheresponsespectrummethod，time-historymethodandtherandomvibrationmethodarecompared．Thenseveralcommontypesofmulti-dimensionalisolationandmitigationdevicesarepresentedindetailbasedonpreviousstudies．Experimentalstudiesandengineeringapplicationsarealsoincluded．Finally，suggestionsforfurtherstudyinthisareaarepresented．Keywords:engineeringstructure;multi-dimensionalexcitation;earthquakeisolation;experimentalstudy1.引言在自然界中，地震是一种严重的自然灾害，会给建筑物造成巨大的伤害，从而给人类造成巨大的损失，所以实际工程中一些隔震减震措施是必要的，可以有效的减轻地震灾害。单维地震作用研究方面目前已经相对比较成熟，形成了比较完善的理论，建立了一套有效的抗震设计方法。然而地震是一个多维的地面运动,其中包括平动分量和转动分量[1]，在实际工程中，重要的建筑结构必须考虑多维的抗震性能。因此工程结构的多维抗震问题及抗震措施是一个重要的研究课题。很多国内外学者近年来对于工程结构在多维地震作用下的隔减震问题进行了相应的研究，取得了较多的研究成果。本文首先介绍了多维地震激励下的结构响应分析方法，总结已研发的结构多维隔减震装置的类型、多维地震激励下加入隔减震装置结构的试验研究和工程应用进行了总结，并提出目前研究存在的一些问题，同时对今后的更深入的研究课题提出了展望。2.多维抗震分析方法综述2.1多维抗震分析的反应谱法反应谱方法是目前为止使用比较广泛的抗震分析方法，是公认的简单有限的方法来近似分析线性结构体系地震反应，单维地震作用下结构的反应谱法已经发展成熟，成为各国抗震规范中常用的方法。反应谱法是一种线性迭加法，将其用于多维抗震分析时，如果考虑转动作用，迭加原理是失效的，因为存在柯氏耦合效应，但是研究中一般不考虑柯氏耦合效应，仍继续采用反应谱法。但是基于振型盈加的反应谱方法在本质上是一种线性方法,将其应用到强非线性问题可能会导致较大误差。国内外已经有很多关于多维抗震分析反应谱法的研究。KiureghianAD[2]基于平稳随机振动理论,推导出MSRS法，即多点激励反应谱分析方法，这种方法较好地反映了各支承点地面运动的相关性和各振型间的相关性，因为该方法全面考虑了行波效应、部分相干效应以及局部场地效应的影响。Berah&Kausel[3]通过引入两个修正系数，将一维激励反应谱方法推广应用于多点激励反应谱分析，反映出了地面运动的时空变化特性和结构动力特性的影响。Heredia-ZavoniE[4]提出的多维抗震分析反应谱法只需计算与结构动力特性无关的谱参数,无需计算振型相关项。上述几种多点激励反应谱法存在两种问题，在求解反应谱组合公式中的相关系数或谱参数都需要通过繁琐的数值积分，这样应用到工程实际将比较困难。同时无法给出峰值反应的标准差，这些方法无法计算结构的随机地震反应。李杰[5]给出了多点激励结构随机地震反应分析的简化反应谱方法。李建华[6]在此基础上进一步给出基于多点激励反应谱理论的结构抗震可靠度计算方法。文中以一两跨连续梁为例,通过MonteCarlo模拟对这一方法进行了验证。2.2多维抗震分析的时程分析法时程分析法是60年代发展起来的抗震分析方法。通常用于超高层建筑的抗震分析如今已成为多数国家抗震设计规范的分析方法之一。时程分析法是一种动力分析方法，逐步积分求解结构物的运动微分方程。通过时程分析，我们可以得到各个质点随时间变化的位移、速度和加速度的动力反应，然后进行计算构件内力和变形的时程变化。时程分析法与反应谱法相比具有更广泛的适用性，是现阶段主要的分析方法，在时程分析法中Leger[7]指出大质量的选取范围对大质量法的计算精度有一定的影响。目前很多通用的有限元分析软件都能进行多维地震激励的时程分析。时程分析的计算效率也在不断的完善而迅速提高。时程法最大优点是可以进行计算非线性状态下的结构震动特性。然而时程法也有其相应的缺点，该方法是一种确定性的分析方法，但是地震动是一个不确定的问题，用确定性的时间历程来模拟尚未发生的地震，目前工程上用3-5条曲线进行结构分析及统计，理论上应取许多条地面运动加速度曲线作为样本分别进行计算后进行统计分析较为合理。因此使用很少几条曲线有时候难于保证得到可靠的统计量，时程法一般用作反应谱分析法的补充方法以及进行结构的非线性分析计算。2.3多维抗震分析的随机振动法随机振动法是将地震动看成一种随机过程，该理念是在1947年由Housner[8]提出来的。随机振动法是建立在地震动统计分析的基础上，是概率性的分析方法，在频域内对结构响应进行求解，得到的结果是具有统计意义的响应。该方法最大的优点是它计算的是各反应的统计规律。紧接着在此基础上WilliamsD[9]提出了振型加速度的方法，更好的反应出了高阶振型对结构的影响。经典的随机振动理论也有缺陷，线性随机振动分析范围内多自由度分析的计算量大，因此很难应用到实际工程中，在非线性分析范围内，很难求出简单的单自由度体系的解析解。随机振动法虽然具有统计性的优势，但是具有庞大大工作量，针对这种问题，1985年大连理工大学林家浩[10]提出的确定性算法，有效的减少随机振动分析的计算量。这种方法自动包含了所有参与振型间的相关性以及激励之间的相关性，在数学上与传统的CQC法等价，是一种精确的并且快速的CQC法。随机振动的功率谱法在随机地震反应分析的领域内有很重要的地位，很多学者如王光远[11]、李国豪[12]等对该方法进行研究。当结构复杂并且自由度很大时，由传统的随机振动功率谱方法推导CQC表达式计算效率低，很难将其应用到实际工程中，因此李国豪12、王光远11和Lin[13]等人建议使用SRSS方法来推到CQC，该方法忽略了振型间的相互影响以减少计算量。然而对于大型复杂三维结构的振型频谱的计算SRSS方法将会造成较大的误差。之后XueSD[14]在林家浩的研究基础上将虚拟激励法推广应用于网壳结构在多维地震作用下的随机响应分析，提出了虚拟激励多维随机振动分析方法，对多维地震动的随机模型和相关性进行了研究。随机振动法有着广阔的发展前景。3.多维隔减震装置以及抗震结构体系研究3.1多维隔减震装置隔减震技术近年来因其减震效果好、构造简单等特点得到了较好的发展，受到国内外学者的重视和研究，研制出各种各样的耗能器和阻尼器。很多装置已经广泛应用到建筑抗震加固及震后修复工程中，并且获得了较好的抗震效果。近年来，随着对隔震减震理论的深入研究，相应的隔震减震装置也得到了相应的发展，耗能减震装置的类型与形式较多，目前常用的隔减震装置如橡胶垫-气缸隔震装置组合隔振系统、橡胶垫-碟型弹簧隔减震装置组合隔振系统，纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器，粘弹性阻尼器以及黏弹性多维隔减震装置等。Tajirian等人[15]首先在1990年提出了用于多维隔震的厚橡胶装置模型，这种模型由薄钢片与厚橡胶粘结而成，能同时为水平及竖向提供弹性而进行多维隔震。随后不少学者对该模型进行了改善，如Shimada[16]和Suhara[17]等人的研究。1993年唐家祥[18]提出采用减少橡胶装置竖向刚度的途径来研究竖向隔震问题，文章基于建筑结构基础隔震的基本原理，开创了我国研究水平及竖向隔震的先例。在此基础上利用碟型弹簧进行竖向隔震得到发展，熊世树[19]提出了铅芯橡胶碟簧三维隔震装置。张玉敏[20]提出了竖向减震装置，该装置采用了中间放一个大碟形弹簧组，在其外围均匀分布几个小碟形弹簧组的方式，并且在碟形弹簧导向杆和上部压杆之间填充了黏滞阻尼材料使之形成黏滞阻尼器，从而进一步提高了装置的减震效果。魏陆顺和周福霖[21]介绍了一种由联接件、竖向隔振支座和水平隔震支座组成的新型三维隔震支座，竖向隔振支座和水平隔震支座的刚度较小，采用该类型支座的隔震结构，其竖向基频和水平基频可远离地铁、铁路振动和地震的主频，进而实现竖向隔振和水平隔震作用。另外一种常用的隔减震技术为采用减震阻尼器，目前国际上广泛用于工程上的阻尼器有:钢棒阻尼器、铅阻尼器、摩擦阻尼器、油阻尼器、粘性阻尼器等。日本最新提出了一种纳米结晶锌铝合金振动控制新型阻尼器，采用该阻尼器可以有效的解决普通金属振动控制阻尼器地震引起的塑性变形不断累积导致的刚才硬化问题，纳米结晶锌铝合金结晶在常温下具有超常的变形能力,因为该材料极其微小，所以能在减震过程中有效地控制建筑的位移和变形。霍林生[22]提出在结构两正交方向同时设置U形调液阻尼器，用来减小地震作用下的平动-扭转反应，文中建立了结构-TLCD体系在多维地震动作用下的运动方程。分析了系统参数对减震效果的影响，最后给出了高层建筑平扭耦联地震反应的减震效果。3.2抗震结构体系抗震结构体系是抗震设计应考虑的最关键问题，对安全和经济起决定性的作用，目前除了规范中要符合抗震设计的基本原则外，一些专家学者提出了很多新型的抗震结构体系。目前实际工程中常用的抗震体系有主要的抗震结构体系有以下几种：框架-抗震墙结构是工程中最常用的抗震结构体系，该结构是在多层和高层钢筋混凝土房屋中布置纵向和横向的抗震墙，与框架梁柱形成共同作用的机构体系。因此在地震作用下，层间位移明显小于纯框架结构，从而可以建造高度较高的建筑；还有一种抗震体系为纯抗震墙结构，该结构是全部由纵、横抗震墙组成的结构体系，其抗震性能非常好，广泛适用于高层住宅、公寓和旅馆等建筑中。邓长根,何永超[23]对日本建筑结构隔震减震研究新进展进行了综述，文中提出基础隔震板片结构体系，这是一种新型隔震结构体系，将基础隔震装置和板片结构体系有机结合在一起，如图1所示。图1基础隔震