关于抗拔对于基础隔震结构对地震响应的效果研究

关于抗拔对于基础隔震结构对地震响应的效果研究Panayiotis C. Roussis, M.ASCE1 摘要：不利的拉力或上拔力会对隔震系统和上部结构带来不利的影响，而隔震支座在一定条件下会出现这种不利的的拉力或上拔力。

本研究报告是根据XY摩擦摆（FP）滑移隔震系统做出的关于抗拔对于隔震结构对地震响应的影响的研究。

作为新一代隔震硬件，抗拔的FP隔震装置——XY- FP能够凭借它具有承受拉力的特性对上部结构提供抗拔力。

为了更好的理解隔震装置的拉拔或拉力现象以及他们对结构性能和隔震系统的影响，进行了对隔震的实际建筑受双向水平地震激励的非线性时程分析。

分析采用了增强版的3D-BASIS- ME（有限元）程序，这个程序曾做过改进，新增了能够模拟XY- FP隔震装置拉力特性的单元。

结果表明：通过增加隔震系统摩擦力，XY-FP隔震装置中的拉力，不管是对整个隔震系统响应还是上部结构响应没有任何显著的影响。

DOI: 10.1061/ASCEST.1943-541X.0000070CE数据库主题词：基础隔震；抗拔力；拉力；非线性分析前言隔震设备硬件显著的发展以及与之平行的分析模型和实验验证技术领域的研究的发展已经促进了隔震装置被越来越多的认可。

最根本的隔震的基本原则包括通过提供额外的灵活性和耗能能力来防止去耦结构对水平地面的破坏，从而在地震事故（1999年的naeim和kelly）中减轻结构振动和破坏的严重性。

然而，在一定的条件下（例如：有较大高宽比的细长的上部结构和在支撑柱和挡墙下有合并支座的结构），隔离支座能承受不良的拉力或拔力，以防它们的发生可能会对隔离系统和上部结构产生有害的影响。

尤其是，拔力的出现（在滑动支座和合梢固定橡胶支座中）可能导致上部结构的倾覆或隔离支座的毁坏（由于再次承担较大的冲力）使它们不能继续支撑垂直荷载。

类似的，拉力的发展（在弹性支座中）也可能导致支座的破裂致使它们不能继续承担垂直荷载。

为解决这一问题，提出了许多的抗拔途径，其中一些已经付诸实践。

下面给出对于这些系统和它们各自局限性的简要介绍。

由日本的住友建设发展并被用于越谷市住友商会1990年建设的10层大楼Excel Minami-Koshigaya中的是一个包含两个巨大的正交刚臂（见图1）的抗拔装置。

而与上部结构和基础有关联的相对的刚臂，连锁后产生的拔力相当于提供默认为1cm的空隙，从而抑制上部结构产生进一步拔力。

这个外部的隔离系统机制还没有经过测试，而它对于隔震系统的影响据作者目前所知也还没有进行过评估。

图1：日本越谷市（住友建筑1990）Excel Minami-Koshigaya建筑中使用的抗拔装置图中注释：displacement-control device——位移控制装置；elastomeric bearing——橡胶支座；cylindrical sleeve——圆柱形套筒；high-strength bolt——高强度的螺栓图2：弹性体支座中包含的位移控制和抗拔装置（Kelly et al. 1987）Kelly et al.（1987）和Griffith et al.（1988a,b, 1990）提出了一个用于提供抗拔力和橡胶支座位移控制的机械装置。

这个系统已经在隔震结构处于地震模拟器条件下的检测过程中进行了研究。

这个装置结合了弹性体支座的一个中央洞，包括两个高强度螺栓，并且为使螺栓有一定的自由度将它们载入了圆柱形套筒中（见图2）。

这个机械装置只有当支座承受相当大的拔力或横向变形时才会起作用。

实际上，这个系统可以把拔力限制在一定的范围内，其界限取决于机制的双重功能，来避免拔力太大使支座不能同时提供侧向位移控制。

除了这个限制，这个装置隐藏在无需移动或拆分支座的支座抑制检查中。

Logiadis （1996）Kasalanati 和Constantinou （1999）曾共同提出了防止隔离装置中拉力和拔力的预应力技术。

使用预应力钢筋束提供给支座足够的额外收缩力来使拉力和拔力得到制止。

这个系统尽管已经经过检测证明它是有效性的和在行为上是可预测的，但是系统很复杂而且可能影响隔离系统的性能。

如图3（a）中所示的是包含抗拔设备的单向平面滑动支座，Nagarajaiahet al（1992）曾经在一个由螺旋钢弹簧提供恢复力的隔离系统中对它进行过检测。

同样的抗拔理念也可以被用在曲面的滑动支座中，正如旧金山靠近奥克兰海湾大桥的地方使用的单向摩擦摆(FP)支座【如图3（b）】。

可以注意到这个抗拔设备在它发生作用前由于它是圆柱形的滑动面而允许产生一些拔力。

如果位移要求比较低的话这种抗拔装置还可以扩展为多向的滑动支座。

图3（a）包含抗拔装置的单向平面滑动支座Nagarajaiah et al. （1992）（b）旧金山靠近奥克兰海湾大桥附近设置的抗拔的单向FP支座的照片图4 抗拔XY-FP隔离系统的三维视图（Roussis and Constantinou 2006a）在新一代的隔离硬件中，最近由作者（Roussis and Constantinou 2006a）介绍的XY-FP可拉张支座，提供了一个抗拔的机械装置。

基于FP原理（Zayas et al.1987; Mokha et al. 1988），XY-FP支座包含两个通过滑动装置相连的正交凹槽从而支座中可以出现一定的拉力来防止潜在的拔力（见图4）。

Roussis and Constantinou（2006a）已经建立了XY-FP隔离装置的数学模型和操作原则。

由于它不同的配置，XY-FP隔离系统提供了有效的抗拔力，暂且不论支座中的位移状态以及它在两个正交方向的双向运动解耦，它为支座在主要水平方向提供了不同刚度和能量消耗的的能力。

一个在Buffalo的大学地震模拟器中进行的通过大量的实验验证的方案证明了，这个概念的有效性，并且提供了XY-FP隔离装置在抗拔方面有效性的证明（Roussis and Constantinou 2006b）。

作为成果，XY-FP可张拉支座的应用已经在世界范围内成功的展开了。

实际的例子包括在加利福尼亚的洛杉矶紧急行动中心（LA EOC）和在中国北京的混合复杂联系Linked Hybrid Complex。

在LA EOC的设计中新的抗震技术的实施是主要部分，因为保证结构再一次大震级地震过后仍具有工作性。

为了保证LA EOC能抵抗一次重大地震，这个82000平方英尺两层楼高的结构使用了22个XY-FP可张拉支座和44个FP支座（见图5（a））来抗震隔离。

北京的Linked Hybrid Complex包括了由封闭的空中通道网相连的8个不对称的21层塔楼（见图5（b））。

这个22万平方米既创新又非常复杂的结构就有安装在空中通道上的XY-FP可张拉支座。

图5： XY-FP可张拉支座在实际中的应用：（a）加利福尼亚的LA EOC（b）中国北京的Linked Hybrid Complex本文集中研究了由XY-FP滑移隔震系统提供的抗拔力对于隔震结构对地震响应的影响。

为了更好的理解隔震装置的拉拔或拉力现象以及他们对结构性能和隔震系统的影响，进行了对隔震的实际建筑，雅典的新卫城博物馆（希腊）受双向水平地震激励的非线性时程分析。

分析采用了增强版的3D-BASIS- ME （Tsopelaset al. 1994）有限元程序，这个程序曾做过改进，新增了能够模拟XY- FP隔震装置（Roussis and Constantinou 2005）拉力特性的单元。

通过对装备了一个正规的FP隔离装置的隔震结构的分析来识别易于发生张拉的独立结构，进而在结构上应用3D-BASIS-ME分析把易于发生张拉的独立结构替换成XY-FP隔离装置。

在分析中激发的动作被任意缩放来使FP隔离装置中产生明显的拉拔力，因而可以确定在实际结构中使用XY-FP隔离装置的作用。

隔震结构的描述新卫城博物馆被设计为一个地上四层地下四层的建筑，其中一层为停车库，一层放置机械装置（见图6（a））。

计划中这个建筑是一个边长分别为大约60，75，40，100米的四边形。

这个结构体系是结合了抗震墙的钢筋混凝土结构。

由于当地存在不能移动或干扰的考古发现，结构的重力承载元素的分配是高度不对称的。

这个结构的总地震重量有407百万。

图6（b）描绘了这个隔离结构的计划视图，显示了它的基本尺寸及支座位置。

计划包括了最重的支座和负荷最小的支座（重力负荷包括恒载和活载的一半）的识别及负荷值的显示。

显而易见，支座上很大的范围都在承受重力荷载。

图6（a）希腊雅典的新卫城博物馆示意图 (b)显示隔震支座位置的隔震结构俯视图在本研究中，有94个凹滑动支座的结构是可以隔震的。

这个隔震装置设计包括，曲率半径为2235毫米，动态下的摩擦系数标称值大约是0.04，具有250毫米的位移能力。

当考虑到属性，年限，温度，污染的影响时，摩擦系数上限和下限的值被分别的确定为0.055和0.035。

分析模型这个分析是建立在由Roussis and Constantinou（2005）确立并在3D-BASIS-ME方案中实施的XY-FP隔离装置的数学模型上的。

XY-FP装置的成分里包含两个独立的单轴滞元素，使其在主要隔离方向上有产生不同界面摩擦特性的能力，允许压缩到拉伸的连续过度，反之亦然。

隔震结构的非线性动力响应是根据3D-BASIS-ME方案进行分析性预测的。

这个分析是分成两个阶段实施的。

在第一阶段，用作分析的结构仅仅通过常规的FP隔离装置（没有抗拔能力）来隔震，目的是确定承受拔力的隔离装置。

在SAP2000计划中（电脑和结构，公司，1998）进行了对于具有相似隔离系统模型的结构额外的分析，用来作为对比。

在第二阶段，对于那些把易于拉拔的隔离装置（由第一阶段确定）替换为抗拔的XY-FP隔离装置的结构进行分析。

这个结构在三对双向地震作用下进行了分析。

通过某种方式分别激发每个组成部分来强调倾覆力矩的影响和增加拉拔发生的可能性。

值得注意的是能代表比新卫城博物馆的最大地震还明显强烈的缩放议案。

表一列出了在地震分析中地面峰值运动的特性和相应的比例因子。

通过在X或Y方向上转换组件一共考虑运用了6个地震输入组合。

表一：在分析中选定的地面动作和规模因素在3D-BASIS-ME方案中的上部结构模型使用了三维表示。

在水平面上的每一个面都被集中到一个有三个自由度的单点（两个平动和一个转动）。

表二中给出了结构的性能。

动态特性作为3D-BASIS-ME方案的输入，要求上部结构模型可以使用SAP2000计划。

一共使用了15种假定为0.04的阻尼比的模型。

表三显示了前五个模型的自由震动阶段。

表二：分析结构的性质表三：基底固定结构的自由震动时期用个别隔离装置的非线性的力和位移特性作为模型可以明确的表示出具有图6（b）中所示的空间结构的隔离系统。