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.0000070

CE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