发布时间：2021-02-06所属分类：建筑师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：基础隔震技术在减震控制效果、防灾减灾以及社会经济效益等方面具有显著优势，近几十年在建筑结构与桥梁工程领域中取得了成功应用。该文全面综述了国内外学者针对建筑基础隔震技术方面取得的研究成果以及工程应用研究现状，总结了目前建筑基础隔震技术
摘要：基础隔震技术在减震控制效果、防灾减灾以及社会经济效益等方面具有显著优势，近几十年在建筑结构与桥梁工程领域中取得了成功应用。该文全面综述了国内外学者针对建筑基础隔震技术方面取得的研究成果以及工程应用研究现状，总结了目前建筑基础隔震技术研究方面存在的不足，为建筑基础隔震技术进一步的研究工作的制定提供参考，同时通过对隔震技术在高层建筑领域中取得的进展及存在问题的阐述，讨论了我国高层建筑结构隔震技术研究的下一步发展方向，对隔震技术在我国高层建筑结构领域中的应用起到一定的促进作用。
关键词：隔震支座;SMA阻尼器;减震控制;高层建筑;研究现状
建筑物结构隔震技术是20世纪60年代出现的一项新技术，多年来，世界各国学者对此项技术开展了广泛、深入的研究，并取得了引人注目的成果，使这方面的研究工作成为当今土木工程学科中的热点研究课题，并且形成为一个新的学科分支。隔震技术是目前工程中应用最多的一种减震控制技术。由于其易于实施、减震控制效果好，正受到越来越多国家的重视[1―2]。
隔震技术的本质作用就是使结构和(或)构件与可能引起破坏的地震地面运动分离开来。这种分离或解耦是通过增加系统的柔性和提供适当的阻尼来实现的[2]。结构隔震体系按隔震机理的不同划分，目前主要有：叠层橡胶垫隔振体系、滑动摩擦隔振体系、组合隔震体系、摩擦摇摆体系、滚轴或滚珠摩擦隔震体系、滑动凹面基础隔振体系、还有最近出现的适用于农村民居的钢筋沥青隔震体系及砂垫层隔震体系等。由于各方面的原因，例如，结构安全性、结构可行性、造价的经济性等，隔振体系研究和应用较为广泛的主要是包括叠层橡胶垫隔震体系、滑动摩擦隔震体系、组合隔震体系，以及适用于农村民居的钢筋沥青隔震体系和砂垫层隔震体系。
1建筑隔震技术的研究现状
常用的叠层橡胶垫主要有三种：天然夹层橡胶垫、铅芯夹层橡胶垫、高阻尼橡胶垫。高阻尼橡胶隔震技术，因其所特有的耗能优势及无污染特点目前正成为研究的热点。
1.1高阻尼橡胶隔震支座
高阻尼橡胶隔震支座的构造与天然橡胶支座类似，不同之处在于，在天然橡胶和合成橡胶的橡胶聚合物中，加入添加剂、补强剂、可塑剂、硫化剂等配合物，制成高阻尼橡胶支座(HRB支座)，从而使其不仅具备天然橡胶支座的水平和竖向性能外，还具有较强的阻尼性能。由于其综合了弹簧和阻尼器功能，设计时可以不在隔震层安装其他阻尼器，因此高阻尼橡胶隔震支座代替了传统隔震结构所采用的隔震支座加阻尼器的结构形式，使隔震层的结构布置简单规则。目前这种阻尼器在日本有一定的应用，在国内，由于具有优良阻尼性能的橡胶没有取得较大进展，目前高阻尼橡胶支座在国内工程应用较少。
1)高阻尼橡胶隔震支座的基本力学性能。
具有高阻尼性质的橡胶增强了支座抗水平变形的能力，但对其竖向变形能力没有太大影响，为了增加高阻尼橡胶支座的竖向承载能力以及限制其水平过大变形，一般在高阻尼橡胶支座中加入叠层钢板。橡胶材料由于水平刚度较小，因此在水平荷载作用下，其具有较好的水平变形能力。高阻尼橡胶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，因此高阻尼橡胶支座除了能够提供一定的水平变形能力以外，其对水平变形还具有一定的抵抗作用，这种抵抗作用使它吸收地震能量的能力比普通的橡胶支座要强，起到一定的自复位效果。高阻尼橡胶隔震支座由于具有阻尼功能，其滞回曲线较为丰满。高阻尼橡胶支座在小变形领域刚度较大，随着变形的增大，其刚度会软化，在剪应变超过200%后开始硬化。
高阻尼橡胶隔震支座是在天然橡胶和合成橡胶的橡胶聚合物中，加入添加剂、补强剂、可塑剂、硫化剂等配合剂制作而成的。添加的聚合物使高阻尼橡胶隔震支座具有较复杂的非线性特性。由于高阻尼橡胶隔震支座中内部材料的不均匀性，在动力荷载作用下，内部复合材料会发生细微结构的损伤，从而会导致高阻尼橡胶隔震支座丧失较大的刚度,同时耗能特性也会相应降低。在通常情况下，上述刚度及耗能特性损失现象在很大程度上依赖于加载历史路径及高阻尼橡胶隔震支座在加载过程中发生的最大变形。因此在采用数值模拟对高阻尼橡胶隔震支座的动力特性进行模拟时必须考虑上述的刚度及耗能特性折减现象。
在一些国家的规范中[3―5]，关于高阻尼橡胶隔震支座的本构模型被指定采用Bi-Linear模型。然而根据最近一些学者[6―10]的研究表明高阻尼橡胶隔震支座的力学特点具有应变率迟滞特性。不同的应变率下，高阻尼橡胶隔震支座的应力-应变本构关系在加载过程中表现出了明显的应变率滞回现象，在卸载过程中也呈现了一定的应变率滞回特性。然而，传统的Bi-Linear模型由于初始刚度及折减刚度的数值为定值，因此不能有效模拟应力-应变本构关系随着应变率的变化而出现的滞回现象。
为了克服传统双折线模型在高阻尼橡胶隔震支座中应用的缺陷，Sano及Di-Pasquale[11]依据Davienkov-Martine法则提出了一个非应变率相关模型来近似等效考虑在不同的应变条件下高阻尼橡胶隔震支座的刚度的折减及阻尼的变化。Kikuchi及Aiken[12]等将Bi-Linear模型与Ramberg-Osgood模型相结合的方式，同样也提出了一个非应变率相关模型来近似模拟高阻尼橡胶隔震支座的本构关系。Abe等[13]提出了一个双向弹塑性模型，来考虑在双向加载条件下，高阻尼橡胶隔震支座的应力应变本构特性。然而以上所提到的数值模型有一个共同特点，它们考虑了在不同应变条件下高阻尼橡胶隔震支座刚度的折减及阻尼的变化，但是没有将应变率对高阻尼橡胶隔震支座本构关系的影响考虑进去。
考虑应变率的高阻尼橡胶隔震支座本构模型的相关研究并不是很多，Hwang等[9]开发了一个模拟高阻尼橡胶隔震支座的阻尼及回复力模型。通过循环荷载试验，得到高阻尼橡胶隔震支座的在加载过程中的应力、应变等相关参数，利用非线性最小二乘法对试验数据进行拟合，将刚度和阻尼系数用一系列的与高阻尼橡胶隔震支座的相对位移及速度相关的高次多项式进行表达。Hwang等所提出的高阻尼橡胶隔震支座的非线性模型中考虑了应变率因素的影响，但是这种应变率的影响是通过非线性最小二乘法的模拟得到的，因此其非线性模型缺乏相应的物理基础。Tsai等[14]以增量形式提出了一个应变率依存数值模型来模拟高阻尼橡胶隔震支座的非线性本构关系。该模型用应变、速度诱导力等参数来描述高阻尼橡胶隔震支座在荷载作用下的恢复力，然而，这种数值模型，无法清晰的阐述如何将速度诱导力从整个恢复力中分离出来，速度诱导力的物理意义不明确。Dall’Asta等[6]通过对高阻尼橡胶隔震支座进行了大量的循环荷载剪切试验及简单的松弛试验确定了高阻尼橡胶隔震支座的受力特性对加载过程中应变率的依存性。在依据大量试验数据的基础上，Dall´Asta等提出了高阻尼橡胶隔震支座的应变率依存非线性数值模型。但是这种应变率依存非线性数值模型由于加载条件比较单一，因此无法很好的用来模拟实际复杂使用情况下对高阻尼橡胶隔震支座的加载及卸载特性的描述。Bhuiyan等[10]为了能合理提出一个考虑应变率依存性的高阻尼橡胶隔震支座的非线性模型，对高阻尼橡胶隔震支座进行了一系列的循环荷载剪切试验、分级的松弛试验及单调的松弛试验。提出了一个考虑高阻尼橡胶隔震支座非线性特性的流变模型。由于高阻尼橡胶隔震支座复杂的非线性应力-应变本构关系，如何提出一个合理的非线性模型来模拟高阻尼橡胶隔震支座的动力特性仍有待进一步的完善。
2)高阻尼橡胶隔震支座+SMA阻尼器。
由于高阻尼橡胶隔震支座在强地震作用下，有可能产生较大的支座位移，从而可能导致高阻尼橡胶隔震支座产生不可恢复的残余变形，因此为了保证隔震层的有效性及安全性，在地震烈度较大区域，一般会采用高阻尼橡胶隔震支座与阻尼器组合使用的形式。目前主要在建筑工程领域使用的阻尼器类型有粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、压电摩擦型阻尼器及SMA(形状记忆合金)阻尼器等，SMA阻尼器因其具有超弹性特性和高阻尼特性，目前在隔震领域里正在逐步形成一个新的科学分支[15―16]。利用SMA的特性制作阻尼耗能装置最早是由Graesser和Cozzarelli[17]提出的。自此以后，SMA阻尼耗能装置的相关研究在国内外得到陆续开展。
国外SMA阻尼耗能装置研究：1)各种样式的阻尼器相继研发成功，并对其性能进行了测试。美国加州大学地震工程研究中心Peter[18]等研制出一种用于土木结构地震反应的SMA被动阻尼装置，它的设计采用了多股超弹性Ni-Ti索缠绕到2个距离固定的椭圆型柱上,该装置称为单面阻尼器。如果将两个单面阻尼器组合起来,可制成双面阻尼器。性能测试结果表明,这种阻尼器具有稳定的迟滞性，受频率等因素的影响较小;美国加州E.SorbSystem的Robert[19]研制了另外一种SMA双面阻尼器，称为CT装置。装置的性能测试是在加州大学地震工程研究中心的一台带温控的卧式平面试验机上进行的。结果表明，在允许的范围内，该阻尼器性能不受频率影响，而且抗疲劳性能良好;DolceM等[20]介绍了两种基于形状记忆合金的被动控制装置，试验结果表明，这两种被动控制装置在大应变循环下具有优良的抗疲劳性、耐久性和可靠性。2)SMA阻尼器对土木工程结构的减振效果研究。Williams、Chiu和Bernhard[21]采用3副形状记忆合金丝和1副钢丝制成适应式减振器，并研究了这种减振器对梁的减振能力，提出此种减振器有希望发展成一种高效的振动被动控制技术;AdachiY等[22]则提出一种形状记忆合金阻尼器，通过一系列的振动台试验，发现其能有效减小桥梁结构的地震反应，尤其是在形状记忆效应阶段，阻尼器的工作效果更好;Tamai等[23]将SMA棒和钢筋复合在一起，形成一个耗能支撑装置，并将其安装在一框架结构上，试验结果表明，这种耗能支撑装置可有效耗散结构输入的地震能量，并且在震后很容易进行修复和置换。
3)SMA阻尼器。
在实际工程应用方面，意大利的IndirliM等[24]通过深入的理论论证，采用SMA作为加固元件对意大利的教堂钟塔进行加固。在2000年的地震中，教堂钟塔没受到任何破坏，形状记忆合金装置有效控制了地震加速度和能量的输入。采用SMA装置加固与传统加固方法相比，其优越性在于既能起到很好的加固效果，又能保证古建筑的完整性，这是一例成功应用于古建筑修复的事例。
在国内，土木工程界的学者也进行了大量的研究工作。彭刚等[25]对形状记忆合金耗能阻尼器设计理论方法进行了研究。以Brinson本构模型为理论依据，建立了阻尼器的热力学非线性方程及其求解方法，并利用MATLAB编制的计算机软件进行了数值仿真计算。计算结果表明，形状记忆合金阻尼器具有较强的耗能能力;欧进萍等[26]就X形和三角形SMA板式阻尼器的阻尼力滞回模型进行了推导;李忠献等[27]提出应用形状记忆合金对斜拉桥的参数振动实施半主动控制，并数值模拟了其控制效果。结果表明，对斜拉桥参数振动进行SMA半主动控制，不仅大幅降低了斜拉索和桥面板的振动，而且能够有效抑制斜拉桥参数共振的发生;薛素铎等[28]提出一种新型SMA阻尼器，并对其在大跨空间结构中的减振控制理论和方法进行了相应的探讨。地震反应时程分析表明，SMA阻尼器可有效减小结构地震反应;张继刚等[29]研制了一种锥形SMA阻尼器，并对其进行了性能试验。试验结果表明，这种SMA阻尼器具有良好的自复位能力，但其耗能能力和疲劳性差于丝材的SMA阻尼器;HanYulin等[30]设计了一种拉压扭超弹性SMA阻尼器，并进行了耗能试验研究;左晓宝[31]研制了一种变刚度复合摩擦SMA阻尼器，试验结果证明，其具有输出控制力大、耗能能力强等特性。李宏男等[32]利用超弹性SMA丝的耗能能力和自复位能力，提出了一种新型的SMA阻尼器，试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下不同位移幅值、不同加载频率和不同初始位移条件下的力学性能，并通过建立的理论模型对阻尼器的力学性能进行了数值模拟。研究结果表明：开发的新型SMA阻尼器在循环荷载作用下形成稳定的滞回曲线，具有良好的耗能能力及自复位能力。
纵观近几年的研究现状，SMA阻尼器可以分为以下三类：1)SMA超弹性阻尼器，这是研究最多的一类阻尼器。这类阻尼器主要利用SMA超弹滞回耗能特性，达到耗散结构输入的能量。同时，在中等或小的受载情况下，其不会产生永久变形和位移，使SMA阻尼器具有自复位功能。2)SMA形状记忆阻尼器。这类阻尼器主要是利用SMA的形状记忆效应和马氏体阶段SMA具有很高的阻尼特性研制的。由于SMA具有热滞效应，因而限制了这类阻尼器的应用研究。随着SMA材料性能的改进和加热方法的深入研究，这类阻尼器将会有很大的应用前景。3)SMA复合阻尼器。这类阻尼器是将SMA与其他材料复合在一起制成阻尼器，从而使两种材料达到优势互补，提高阻尼器的性能。这也是研究比较多的一类阻尼器，试验也证明其具有很好的减振耗能特性。
目前已经发现的SMA材料的种类有上百种之多，其中被普遍认为具有实用价值且比较常用的主要有近等原子比Ni-Ti合金、Cu基形状记忆合金和Fe基形状记忆合金。其中Ni-Ti合金作为一种基础材料被广泛应用于土木工程领域中的阻尼器设计中。Ni-Ti记忆型合金最早是1960年被Buehler等[33]提出的。
Ni-Ti记性型合金具有以下特征：1)弹性应变区域较大;2)滞回阻尼特性;3)高效可靠的耗能机制;4)在6%应变之后会出现应变硬化现象;5)卓越的低-高周疲劳性能;6)优越的耐腐蚀性能;7)形状自回复能力;Ni-Ti记忆型合金由于具备以上所提的超弹性及形状记忆特性而被目前广泛的应用在工程的各个领域。
Han等[34]开发了一个同时考虑拉伸、压缩及扭转方向的动态阻尼器，Han等研发的动态阻尼器包括两个同心管以及Ni-Ti记忆型合金。能量主要通过Ni-Ti记忆型合金进行耗散。通过大量的试验表明，能量通过内外管道耗散量的大小与内外管道内Ni-Ti记忆型合金的布置数量有很好的对应关系。
Clark等[35]对将Ni-Ti记忆合金线缠绕在圆柱形的支撑构件上所组成的阻尼器支座进行了大量的试验研究，试验结果表明，Ni-Ti阻尼器支座具有很好的动力性能，能很好的控制上部结构的地震反应。为了实现在不同环境温度效应下，Ni-Ti记忆型合金阻尼器能够充分发挥去作用效能，一些学者[36―37]研制开发了一种能兼顾不同温度效应影响的Ni-Ti记忆型合金阻尼器，它的主要构造原理是在阻尼器中配置不同配置不同种类的Ni-Ti记忆型合金以满足在不同温度条件下阻尼器都能够很好的进行能量耗散，从而对结构动力效应起到控制作用。——论文作者：朱宏平，周方圆，袁涌
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