CN103790256B - 一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法 - Google Patents

Abstract

一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法包括如下步骤：结构布置与设计；确定隔震支座的型号及数量；在试验室内确定隔震支座的控制指标以及性能参数；建立不规则结构体系的有限元模型；确定隔震支座出现拉伸力的位置及拉应力的大小；对隔震支座拉应力指标的判定；对不规则体系的隔震支座采取抗拉控制措施，直至隔震结构规则性满足要求实现不规则结构体系中隔震层的抗拉控制。本发明解决了在隔震结构体系中叠层橡胶隔震支座出现的拉应力超出限定值后，通过调整隔震支座以及抗拉装置做到精确控制隔震支座的竖向拉伸变形满足限定值，确保隔震支座正常工作状态的技术问题。

Description

一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法

技术领域

本发明涉及结构工程的隔震技术领域，特别是一种在地震作用下，隔震结构体系中叠层橡胶隔震支座出现拉应力超过设定限值的控制方法。

背景技术

随着经济建设的飞速发展，越来越多的建筑设计造型美观，布局新颖，出现很多平面、空间不规则的结构，这时往往采用基础隔震技术减小整体结构水平地震响应。叠层橡胶隔震支座具有水平刚度、低耗能延性好、竖向抗压刚度高及承载力高的特性，但其抗拉刚度及承载力明显不足。

而在罕遇地震作用下，不规则的建筑体系容易造成建筑隔震结构的角部及混凝土筒体下的叠层橡胶隔震支座产生拉应力。我国相关规范规定：叠层橡胶隔震支座不宜出现拉应力；当叠层橡胶隔震支座不可避免处于受拉状态时，其拉应力不应大于1.0MPa。因此对于不规则的建筑体系的隔震结构的叠层橡胶隔震支座存在抗拉性能不足的风险。

为解决叠层橡胶隔震支座抗拉能力不足一般会在薄弱位置采用抗拉装置。抗拉装置的设置原则是在不影响叠层橡胶隔震支座水平变形性能的前提下，对叠层橡胶隔震支座起到限制竖向拉伸变形的作用，确保叠层橡胶隔震支座在设计烈度地震作用下，仍能保持弹性的工作状态，防止在超设计烈度地震作用下，叠层橡胶隔震支座因受拉变形过大，导致支座自身损坏，影响上部结构的使用功能。

因此为保证不规则隔震结构在罕遇地震作用下的安全，如何控制隔震结构体系中叠层橡胶隔震支座出现的拉应力超出限定值后，使用抗拉装置精确限定隔震支座的竖向拉伸变形，确保隔震支座的正常工作状态成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，要解决在隔震结构体系中叠层橡胶隔震支座出现的拉应力超出限定值后，通过设置抗拉装置做到精确控制隔震支座的竖向拉伸变形满足限定值，确保隔震支座正常工作状态的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，包括如下步骤：

步骤一、结构布置与设计：进行建筑不规则结构体系的整体构件布置及初步设计；

步骤二、确定隔震支座的型号及数量：使用步骤一中得到的竖向力设计值确定叠层橡胶隔震支座的型号及数量；

步骤三、在试验室内确定隔震支座的控制指标以及性能参数：

对隔震支座进行规定水平变形下的竖向拉伸滞回试验，绘制隔震支座在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线，以确定在不同强度地震作用下隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，

对隔震支座进行规定压应力下的水平滞回试验，以确定隔震支座的水平性能参数，

对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向压缩试验，以确定隔震支座的竖向性能参数即竖向抗压刚度；

步骤四、建立不规则结构体系的有限元模型：采用Midas结构分析软件或SAP2000结构分析软件建立上部结构材料模型为非隔震模型，建立下部带有隔震支座单元的隔震结构为隔震模型；

步骤五、确定隔震支座出现拉伸力的位置及拉应力的大小：在步骤四中建立的有限元模型中输入步骤三中获得的在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线、规定压应力下的隔震支座水平性能参数和规定水平变形下的隔震支座竖向性能参数，对隔震结构进行不同强度地震作用下产生的响应进行分析，

计算分析时非隔震模型及隔震模型设定为非线性属性，根据分析结果确定在不同强度地震作用下隔震支座出现拉伸力的位置及拉应力[σ _i ]的大小；

步骤六、对隔震支座拉应力指标的判定：将步骤五中得到的隔震支座拉应力[σ _i ]的大小与步骤三中获得的隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]的大小进行比较；

步骤七、根据步骤六中隔震支座拉应力与隔震支座的拉应力控制指标的大小关系确定调整方案，对不规则体系的隔震支座采取抗拉控制措施，直至隔震支座拉应力[σ _i ]小于隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，则隔震支座安全性满足要求，实现不规则结构体系中隔震层的抗拉控制。

所述步骤三中，隔震支座的拉应力控制指标的确定方法如下：

在试验室内对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向拉伸滞回试验，绘制隔震支座在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线，在设计烈度强度地震作用下或超设计烈度地震作用下，在关系曲线中读取支座的最大拉应力 [σ’_max]和最大拉伸应变 [ε _max]对应的最大拉应力[σ”_max]，取二者小值确定为支座的拉应力控制指标[σ _max]= min{[σ’_max]，[σ”_max]}。

所述步骤三中，[σ’_max]在设计烈度地震作用下取0.80~1.0MPa，在超设计烈度地震作用下取1.1~1.2MPa；所述[ε _max]在设计烈度地震作用下取7~10%，在超设计烈度地震作用下取12~15%。

所述步骤三中，隔震支座性能参数的确定方法如下：

①确定水平性能参数：在试验内对隔震支座进行在规定压应力下的水平滞回试验，得到隔震支座的水平性能参数为：

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）、屈服剪力（Q_y）；

②确定竖向性能参数：在试验室内对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向压缩试验，得到隔震支座的竖向抗压刚度（K _v）。

所述步骤七中，

若[σ _i ]≤[σ _max] 满足抗拉控制要求，不需要设置抗拉装置，

若[σ _i ]≥[σ _max] 不满足抗拉控制要求，即隔震支座拉应力大于隔震支座的拉应力控制指标时，对不规则体系的隔震支座采取抗拉控制措施的方法如下：

①在该支座附近设置抗拉装置，并初选抗拉装置的截面尺寸及抗拉装置间隙尺寸；

②重复步骤四至步骤六对带有抗拉装置的隔震结构进行不同强度地震作用的分析；

③根据②的分析结果判定隔震支座拉应力[σ _i ]是否小于隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，抗拉装置的横杆竖向变形控制指标是否满足要求以及抗拉装置间隙尺寸控制指标是否满足要求；

④若③不满足要求，增大抗拉装置构件尺寸或减小抗拉装置间隙尺寸，并重复步骤①和②直至隔震支座拉应力控制指标[σ _max]、抗拉装置横杆竖向变形控制指标以及抗拉装置间隙尺寸控制指标均满足要求。

所述步骤七中，抗拉装置采用钩单元计算模型。

所述步骤七中，

抗拉装置的横杆竖向变形控制指标需满足的要求是：在设计烈度地震作用下，抗拉装置的横杆竖向变形ω与横杆长度L的比值小于1/600；在超设计烈度地震作用下，抗拉装置横杆竖向变形ω与横杆长度L比值小于1/250，

抗拉装置间隙尺寸控制指标需满足的要求是：间隙尺寸控制在2～6mm。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明提出了一种在不同强度地震作用下对不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，解决了不规则结构系统的隔震层中出现的拉应力超出限定值后，通过调整隔震支座以及设置抗拉装置做到精确控制隔震支座的竖向拉伸变形满足限定值，确保隔震支座正常工作状态的技术问题，通过对隔震支座在不同强度地震作用下拉应力的合理取值范围、抗拉装置横杆的设计以及抗拉装置的间隙尺寸的设计，有效控制了隔震支座拉应力的大小，减小了隔震支座因受拉对水平性能的影响，确保了叠层橡胶隔震支座在地震作用下的安全使用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1 为本发明方法的流程图。

图2 为本发明所涉及的叠层橡胶隔震支座平面布置示意图。

图3 为本发明所涉及的抗拉装置钩单元的示意图。

图4为图3中4的计算模型示意图。

图5 为本发明实施例叠层橡胶隔震支座拉应力与竖向拉伸变形关系曲线。

附图标记：1－叠层橡胶隔震支座、2－抗拉装置、3－云线区域、4－抗拉装置钩单元、41－钩单元上连接点、42－钩单元连接刚度、43－抗拉装置间隙尺寸、44－钩单元下连接点、45－抗拉装置横杆。

具体实施方式

结合附图以某不规则隔震结构体系为实施例对该方法作详细说明，该隔震结构体系中叠层橡胶隔震支座拉应力控制方法，应按如下步骤依次实现：参见图1所示，

步骤一、结构布置与设计：进行建筑不规则结构体系的整体构件布置及初步设计。

步骤二、确定隔震支座的型号及数量：使用步骤一中得到的竖向力设计值确定叠层橡胶隔震支座1的型号及数量。

步骤三、在试验室内确定隔震支座的控制指标以及性能参数：

对隔震支座进行规定水平变形下的竖向拉伸滞回试验，绘制隔震支座在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线，以确定在不同强度地震作用下隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，具体如下：

在试验室内对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向拉伸滞回试验，参见图5所示，绘制隔震支座在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线，图中σ _i 表示叠层橡胶隔震支座拉应力（单位：MPa）；U表示叠层橡胶隔震支座拉伸变形（单位：mm）。

本发明中规定水平变形是：在设防烈度地震作用下取剪切变形100%；在罕遇地震作用下取剪切变形250%，而当隔震支座直径不小于600mm时可取剪切变形100%。

在设计烈度强度地震作用下或超设计烈度地震作用下，在关系曲线中读取支座的最大拉应力 [σ’_max]和最大拉伸应变 [ε _max]对应的最大拉应力[σ”_max]，取二者小值确定为支座的拉应力控制指标[σ _max]= min{[σ’_max]，[σ”_max]}。

[σ’_max]在设计烈度地震作用下取0.80~1.0MPa，在超设计烈度地震作用下取1.1~1.2MPa；所述[ε _max]在设计烈度地震作用下取7~10%，在超设计烈度地震作用下取12~15%。

对隔震支座进行规定压应力下的水平滞回试验，以确定隔震支座的水平性能参数，具体如下：在试验内对隔震支座进行在规定压应力下的水平滞回试验，得到隔震支座的水平性能参数为：

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）、屈服剪力（Q_y）。

对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向压缩试验，以确定隔震支座的竖向性能参数即竖向抗压刚度，具体如下：确定竖向性能参数：在试验室内对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向压缩试验，得到隔震支座的竖向抗压刚度（K _v）。

本发明中规定压应力是：甲类建筑为10MPa；乙类建筑为12MPa；丙类建筑为15MPa。

本实施例中在试验室内试验获得叠层橡胶隔震支座性能参数如表一所示：

注：LNR表示无铅芯叠层橡胶隔震支座；LRB表示铅芯叠层橡胶隔震支座；700，800，900，1000，1200表示叠层橡胶隔震支座直径（单位：mm）。

步骤四、建立不规则结构体系的有限元模型：采用Midas结构分析软件或SAP2000结构分析软件建立上部结构材料模型为非隔震模型，建立下部带有隔震支座单元的隔震结构为隔震模型；

步骤五、确定隔震支座出现拉伸力的位置及拉应力的大小：在步骤四中建立的有限元模型中输入步骤三中获得的在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线、规定压应力下的隔震支座水平性能参数和规定水平变形下的隔震支座竖向性能参数，对隔震结构进行不同强度地震作用下产生的响应进行分析，

计算分析时非隔震模型及隔震模型设定为非线性属性，根据分析结果确定在不同强度地震作用下隔震支座出现拉伸力的位置，本实施例中参见图2所示的云线区域3所示及拉应力[σ _i ]的大小；

本实施例中在设计烈度罕遇地震作用下隔震支座拉应力数值如表二所示：

本实施例中在超设计烈度罕遇地震作用下隔震支座及拉应力数值如表三所示：

步骤六、对隔震支座拉应力指标的判定：将步骤五中得到的隔震支座拉应力[σ _i ]的大小与步骤三中获得的隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]的大小进行比较；

步骤七、根据步骤六中隔震支座拉应力与隔震支座的拉应力控制指标的大小关系确定调整方案，对不规则体系的隔震支座进行调整，直至隔震支座拉应力[σ _i ]小于隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，则隔震结构规则性满足要求，实现不规则结构体系中隔震层的抗拉控制。

若[σ _i ]≤[σ _max] 满足抗拉控制要求，不需要设置抗拉装置。

若[σ _i ]≥[σ _max] 不满足抗拉控制要求，即隔震支座拉应力大于隔震支座的拉应力控制指标时，对不规则体系的隔震支座进行调整的方法如下：

①在该支座附近设置抗拉装置2，本实施例中的抗拉装置采用两个连接在一起的抗拉装置钩单元4为模型进行分析。参见图3～4所示，上部钩单元上的横杆与下部钩单元的横杆通过连杆连接为一体，所述连杆上包括钩单元上连接点41和钩单元下连接点44，两个连接点之间设有钩单元连接刚度42，连杆的中部是两个连钩的钩接，连钩间的距离a即抗拉装置间隙尺寸53。

抗拉装置的布置参见图2所示。并初选抗拉装置的截面尺寸及抗拉装置间隙尺寸43；

②重复步骤四至步骤六对带有抗拉装置的隔震结构进行不同强度地震作用的分析。

抗拉装置的横杆竖向变形控制指标需满足的要求是：在设计烈度地震作用下，抗拉装置横杆45竖向变形ω与横杆长度L的比值小于1/600；在超设计烈度地震作用下，抗拉装置横杆45竖向变形ω与横杆长度L比值小于1/250。

抗拉装置的间隙尺寸控制指标需满足的要求是：抗拉装置间隙尺寸43控制在2～6mm。

本实施例中对带有抗拉装置的隔震结构体系进行设计烈度罕遇地震作用下，抗拉装置不同间隙尺寸的隔震支座拉应力分析如表四所示：

③根据②的分析结果判定隔震支座拉应力[σ _i ]是否小于隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，抗拉装置的横杆竖向变形控制指标是否满足要求以及抗拉装置间隙尺寸控制指标是否满足要求。

本实施例中根据隔震支座拉应力控制指标，抗拉装置间隙尺寸取为4mm时，

在设计烈度罕遇地震作用下，叠层橡胶隔震支座拉应力控制在0.8MPa以内，才满足控制要求，在分析结果中读取各抗拉装置横杆最大竖向变形值，并与横杆长度的比值为ω/L=1/679小于限值1/600。

在超烈度罕遇地震作用下，叠层橡胶隔震支座拉应力控制在1.1MPa以内，才满足控制要求，隔震支座及拉应力分析结果如表五所示，

在分析结果中读取各抗拉装置横杆最大竖向变形值，并与横杆长度的比值为ω/L=1/264小于限值1/250。

④若③不满足要求，增大抗拉装置构件尺寸或减小抗拉装置间隙尺寸，并重复步骤①和②直至隔震支座拉应力控制指标[σ _max]、抗拉装置横杆竖向变形控制指标以及抗拉装置横杆间隙尺寸控制指标均满足要求。

本实施例中：SAP2000和Midas有限元计算软件采用铅芯叠层橡胶支承隔震装置模拟铅芯叠层橡胶隔震支座力学性能。铅芯叠层橡胶隔震支座恢复力模型在Wen提出的微分型恢复力模型的基础上对其进行改进，采用适用于铅芯叠层橡胶支座的双向耦合恢复力计算模型。铅芯叠层橡胶支承隔震装置中的两个剪切弹性支承具有二轴塑性相关特性，其余四个自由度具有线性弹性特性。普通叠层橡胶支座采用弹簧和线性阻尼器单元模拟。

铅芯橡胶支座隔震装置中的两个剪切方向弹簧的力与变形关系式如下：

                   

其中

k _y ，k _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的初始刚度；

F _y,y ，F _y,z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的屈服刚度；

r _y ，r _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧屈服后刚度减小率；

d _y ，d _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的两节点间的变形；

z _y ，z _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的滞回效应的内部参数。

z _y ，z _z 作为反映滞回效应的内部参数，是由Park，Wen，及Ang（1986）等在Wen（1976）的单轴塑性模型的基础上所发展的双轴塑性模型来定义的。其微分方程式如下：

其中，

α _y ，β _y ，α _z ，β _z —关于单元坐标系y，z方向剪切弹簧的滞回曲线形状的常数；

d _y ，d _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的两节点间的变形变化率。

Claims (5)

1.一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、结构布置与设计：进行建筑不规则结构体系的整体构件布置及初步设计；

步骤二、确定隔震支座的型号及数量：使用步骤一中得到的竖向力设计值确定叠层橡胶隔震支座的型号及数量；

步骤三、在试验室内确定隔震支座的控制指标以及性能参数：

对隔震支座进行规定水平变形下的竖向拉伸滞回试验，绘制隔震支座在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线，以确定在不同强度地震作用下隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，

对隔震支座进行规定压应力下的水平滞回试验，以确定隔震支座的水平性能参数，

对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向压缩试验，以确定隔震支座的竖向性能参数即竖向抗压刚度；

步骤四、建立不规则结构体系的有限元模型：采用Midas结构分析软件或SAP2000结构分析软件建立上部结构材料模型为非隔震模型，建立下部带有隔震支座单元的隔震结构为隔震模型；

步骤五、确定隔震支座出现拉伸力的位置及拉应力的大小：在步骤四中建立的有限元模型中输入步骤三中获得的在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线、规定压应力下的隔震支座水平性能参数和规定水平变形下的隔震支座竖向性能参数，对隔震结构进行不同强度地震作用下产生的响应进行分析，

计算分析时非隔震模型及隔震模型设定为非线性属性，根据分析结果确定在不同强度地震作用下隔震支座出现拉伸力的位置及拉应力[σ _i ]的大小；

步骤六、对隔震支座拉应力指标的判定：将步骤五中得到的隔震支座拉应力[σ _i ]的大小与步骤三中获得的隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]的大小进行比较；

步骤七、根据步骤六中隔震支座拉应力与隔震支座的拉应力控制指标的大小关系确定调整方案，对不规则体系的隔震支座采取抗拉控制措施，直至隔震支座拉应力[σ _i ]小于隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，则隔震支座安全性满足要求，实现不规则结构体系中隔震层的抗拉控制；

所述步骤三中，隔震支座的拉应力控制指标的确定方法如下：

在试验室内对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向拉伸滞回试验，绘制隔震支座在规定水平变形下的拉力与竖向拉伸变形关系曲线，在设计烈度强度地震作用下或超设计烈度地震作用下，在关系曲线中读取支座的最大拉应力 [σ’_max]和最大拉伸应变 [ε _max]对应的最大拉应力[σ”_max]，取二者小值确定为支座的拉应力控制指标[σ _max]= min{[σ’_max]，[σ”_max]}；

所述步骤三中，[σ’_max]在设计烈度地震作用下取0.80~1.0MPa，在超设计烈度地震作用下取1.1~1.2MPa；所述[ε _max]在设计烈度地震作用下取7~10%，在超设计烈度地震作用下取12~15%。

2.根据权利要求1所述的一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，其特征在于：所述步骤三中，隔震支座性能参数的确定方法如下：

①确定水平性能参数：在试验内对隔震支座进行在规定压应力下的剪切变形100%的水平滞回试验，得到隔震支座的水平性能参数为：

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）、屈服剪力（Q_y）；

②确定竖向性能参数：在试验室内对隔震支座进行在规定水平变形下的竖向压缩试验，得到隔震支座的竖向抗压刚度（K _v）。

3.根据权利要求1所述的一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，其特征在于：所述步骤七中，

若[σ _i ]≤[σ _max] 满足抗拉控制要求，不需要设置抗拉装置，

若[σ _i ]≥[σ _max] 不满足抗拉控制要求，即隔震支座拉应力大于隔震支座的拉应力控制指标时，对不规则体系的隔震支座采取抗拉控制措施的方法如下：

①在该支座附近设置抗拉装置，并初选抗拉装置的截面尺寸及抗拉装置间隙尺寸；

②重复步骤四至步骤六对带有抗拉装置的隔震结构进行不同强度地震作用的分析；

③根据②的分析结果判定隔震支座拉应力[σ _i ]是否小于隔震支座的拉应力控制指标[σ _max]，抗拉装置的横杆竖向变形控制指标是否满足要求以及抗拉装置间隙尺寸控制指标是否满足要求；

④若③不满足要求，增大抗拉装置构件尺寸或减小抗拉装置间隙尺寸，并重复步骤①和②直至隔震支座拉应力控制指标[σ _max]、抗拉装置横杆竖向变形控制指标以及抗拉装置间隙尺寸控制指标均满足要求。

4.根据权利要求3所述的一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，其特征在于：所述步骤七中，抗拉装置采用钩单元计算模型。

5.根据权利要求4所述的一种不规则结构体系中隔震层的抗拉控制方法，其特征在于：所述步骤七中，

抗拉装置的横杆竖向变形控制指标需满足的要求是：在设计烈度地震作用下，抗拉装置的横杆竖向变形ω与横杆长度L的比值小于1/600；在超设计烈度地震作用下，抗拉装置横杆竖向变形ω与横杆长度L比值小于1/250，

抗拉装置间隙尺寸控制指标需满足的要求是：间隙尺寸控制在2～6mm。