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摘 要： 摘要：基礎(chǔ)隔震技術(shù)在減震控制效果、防災(zāi)減災(zāi)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，近幾十年在建筑結(jié)構(gòu)與橋梁工程領(lǐng)域中取得了成功應(yīng)用。該文全面綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)方面取得的研究成果以及工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)
摘要：基礎(chǔ)隔震技術(shù)在減震控制效果、防災(zāi)減災(zāi)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，近幾十年在建筑結(jié)構(gòu)與橋梁工程領(lǐng)域中取得了成功應(yīng)用。該文全面綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)方面取得的研究成果以及工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)研究方面存在的不足，為建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)一步的研究工作的制定提供參考，同時(shí)通過(guò)對(duì)隔震技術(shù)在高層建筑領(lǐng)域中取得的進(jìn)展及存在問(wèn)題的闡述，討論了我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)研究的下一步發(fā)展方向，對(duì)隔震技術(shù)在我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞：隔震支座;SMA阻尼器;減震控制;高層建筑;研究現(xiàn)狀
建筑物結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，多年來(lái)，世界各國(guó)學(xué)者對(duì)此項(xiàng)技術(shù)開展了廣泛、深入的研究，并取得了引人注目的成果，使這方面的研究工作成為當(dāng)今土木工程學(xué)科中的熱點(diǎn)研究課題，并且形成為一個(gè)新的學(xué)科分支。隔震技術(shù)是目前工程中應(yīng)用最多的一種減震控制技術(shù)。由于其易于實(shí)施、減震控制效果好，正受到越來(lái)越多國(guó)家的重視[1―2]。
隔震技術(shù)的本質(zhì)作用就是使結(jié)構(gòu)和(或)構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)分離開來(lái)。這種分離或解耦是通過(guò)增加系統(tǒng)的柔性和提供適當(dāng)?shù)淖枘醽?lái)實(shí)現(xiàn)的[2]。結(jié)構(gòu)隔震體系按隔震機(jī)理的不同劃分，目前主要有：疊層橡膠墊隔振體系、滑動(dòng)摩擦隔振體系、組合隔震體系、摩擦搖擺體系、滾軸或滾珠摩擦隔震體系、滑動(dòng)凹面基礎(chǔ)隔振體系、還有最近出現(xiàn)的適用于農(nóng)村民居的鋼筋瀝青隔震體系及砂墊層隔震體系等。由于各方面的原因，例如，結(jié)構(gòu)安全性、結(jié)構(gòu)可行性、造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性等，隔振體系研究和應(yīng)用較為廣泛的主要是包括疊層橡膠墊隔震體系、滑動(dòng)摩擦隔震體系、組合隔震體系，以及適用于農(nóng)村民居的鋼筋瀝青隔震體系和砂墊層隔震體系。
1建筑隔震技術(shù)的研究現(xiàn)狀
常用的疊層橡膠墊主要有三種：天然夾層橡膠墊、鉛芯夾層橡膠墊、高阻尼橡膠墊。高阻尼橡膠隔震技術(shù)，因其所特有的耗能優(yōu)勢(shì)及無(wú)污染特點(diǎn)目前正成為研究的熱點(diǎn)。
1.1高阻尼橡膠隔震支座
高阻尼橡膠隔震支座的構(gòu)造與天然橡膠支座類似，不同之處在于，在天然橡膠和合成橡膠的橡膠聚合物中，加入添加劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、可塑劑、硫化劑等配合物，制成高阻尼橡膠支座(HRB支座)，從而使其不僅具備天然橡膠支座的水平和豎向性能外，還具有較強(qiáng)的阻尼性能。由于其綜合了彈簧和阻尼器功能，設(shè)計(jì)時(shí)可以不在隔震層安裝其他阻尼器，因此高阻尼橡膠隔震支座代替了傳統(tǒng)隔震結(jié)構(gòu)所采用的隔震支座加阻尼器的結(jié)構(gòu)形式，使隔震層的結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單規(guī)則。目前這種阻尼器在日本有一定的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，由于具有優(yōu)良阻尼性能的橡膠沒(méi)有取得較大進(jìn)展，目前高阻尼橡膠支座在國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用較少。
1)高阻尼橡膠隔震支座的基本力學(xué)性能。
具有高阻尼性質(zhì)的橡膠增強(qiáng)了支座抗水平變形的能力，但對(duì)其豎向變形能力沒(méi)有太大影響，為了增加高阻尼橡膠支座的豎向承載能力以及限制其水平過(guò)大變形，一般在高阻尼橡膠支座中加入疊層鋼板。橡膠材料由于水平剛度較小，因此在水平荷載作用下，其具有較好的水平變形能力。高阻尼橡膠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，因此高阻尼橡膠支座除了能夠提供一定的水平變形能力以外，其對(duì)水平變形還具有一定的抵抗作用，這種抵抗作用使它吸收地震能量的能力比普通的橡膠支座要強(qiáng)，起到一定的自復(fù)位效果。高阻尼橡膠隔震支座由于具有阻尼功能，其滯回曲線較為豐滿。高阻尼橡膠支座在小變形領(lǐng)域剛度較大，隨著變形的增大，其剛度會(huì)軟化，在剪應(yīng)變超過(guò)200%后開始硬化。
高阻尼橡膠隔震支座是在天然橡膠和合成橡膠的橡膠聚合物中，加入添加劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、可塑劑、硫化劑等配合劑制作而成的。添加的聚合物使高阻尼橡膠隔震支座具有較復(fù)雜的非線性特性。由于高阻尼橡膠隔震支座中內(nèi)部材料的不均勻性，在動(dòng)力荷載作用下，內(nèi)部復(fù)合材料會(huì)發(fā)生細(xì)微結(jié)構(gòu)的損傷，從而會(huì)導(dǎo)致高阻尼橡膠隔震支座喪失較大的剛度,同時(shí)耗能特性也會(huì)相應(yīng)降低。在通常情況下，上述剛度及耗能特性損失現(xiàn)象在很大程度上依賴于加載歷史路徑及高阻尼橡膠隔震支座在加載過(guò)程中發(fā)生的最大變形。因此在采用數(shù)值模擬對(duì)高阻尼橡膠隔震支座的動(dòng)力特性進(jìn)行模擬時(shí)必須考慮上述的剛度及耗能特性折減現(xiàn)象。
在一些國(guó)家的規(guī)范中[3―5]，關(guān)于高阻尼橡膠隔震支座的本構(gòu)模型被指定采用Bi-Linear模型。然而根據(jù)最近一些學(xué)者[6―10]的研究表明高阻尼橡膠隔震支座的力學(xué)特點(diǎn)具有應(yīng)變率遲滯特性。不同的應(yīng)變率下，高阻尼橡膠隔震支座的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系在加載過(guò)程中表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變率滯回現(xiàn)象，在卸載過(guò)程中也呈現(xiàn)了一定的應(yīng)變率滯回特性。然而，傳統(tǒng)的Bi-Linear模型由于初始剛度及折減剛度的數(shù)值為定值，因此不能有效模擬應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系隨著應(yīng)變率的變化而出現(xiàn)的滯回現(xiàn)象。
為了克服傳統(tǒng)雙折線模型在高阻尼橡膠隔震支座中應(yīng)用的缺陷，Sano及Di-Pasquale[11]依據(jù)Davienkov-Martine法則提出了一個(gè)非應(yīng)變率相關(guān)模型來(lái)近似等效考慮在不同的應(yīng)變條件下高阻尼橡膠隔震支座的剛度的折減及阻尼的變化。Kikuchi及Aiken[12]等將Bi-Linear模型與Ramberg-Osgood模型相結(jié)合的方式，同樣也提出了一個(gè)非應(yīng)變率相關(guān)模型來(lái)近似模擬高阻尼橡膠隔震支座的本構(gòu)關(guān)系。Abe等[13]提出了一個(gè)雙向彈塑性模型，來(lái)考慮在雙向加載條件下，高阻尼橡膠隔震支座的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)特性。然而以上所提到的數(shù)值模型有一個(gè)共同特點(diǎn)，它們考慮了在不同應(yīng)變條件下高阻尼橡膠隔震支座剛度的折減及阻尼的變化，但是沒(méi)有將應(yīng)變率對(duì)高阻尼橡膠隔震支座本構(gòu)關(guān)系的影響考慮進(jìn)去。
考慮應(yīng)變率的高阻尼橡膠隔震支座本構(gòu)模型的相關(guān)研究并不是很多，Hwang等[9]開發(fā)了一個(gè)模擬高阻尼橡膠隔震支座的阻尼及回復(fù)力模型。通過(guò)循環(huán)荷載試驗(yàn)，得到高阻尼橡膠隔震支座的在加載過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)參數(shù)，利用非線性最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將剛度和阻尼系數(shù)用一系列的與高阻尼橡膠隔震支座的相對(duì)位移及速度相關(guān)的高次多項(xiàng)式進(jìn)行表達(dá)。Hwang等所提出的高阻尼橡膠隔震支座的非線性模型中考慮了應(yīng)變率因素的影響，但是這種應(yīng)變率的影響是通過(guò)非線性最小二乘法的模擬得到的，因此其非線性模型缺乏相應(yīng)的物理基礎(chǔ)。Tsai等[14]以增量形式提出了一個(gè)應(yīng)變率依存數(shù)值模型來(lái)模擬高阻尼橡膠隔震支座的非線性本構(gòu)關(guān)系。該模型用應(yīng)變、速度誘導(dǎo)力等參數(shù)來(lái)描述高阻尼橡膠隔震支座在荷載作用下的恢復(fù)力，然而，這種數(shù)值模型，無(wú)法清晰的闡述如何將速度誘導(dǎo)力從整個(gè)恢復(fù)力中分離出來(lái)，速度誘導(dǎo)力的物理意義不明確。Dall’Asta等[6]通過(guò)對(duì)高阻尼橡膠隔震支座進(jìn)行了大量的循環(huán)荷載剪切試驗(yàn)及簡(jiǎn)單的松弛試驗(yàn)確定了高阻尼橡膠隔震支座的受力特性對(duì)加載過(guò)程中應(yīng)變率的依存性。在依據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，Dall´Asta等提出了高阻尼橡膠隔震支座的應(yīng)變率依存非線性數(shù)值模型。但是這種應(yīng)變率依存非線性數(shù)值模型由于加載條件比較單一，因此無(wú)法很好的用來(lái)模擬實(shí)際復(fù)雜使用情況下對(duì)高阻尼橡膠隔震支座的加載及卸載特性的描述。Bhuiyan等[10]為了能合理提出一個(gè)考慮應(yīng)變率依存性的高阻尼橡膠隔震支座的非線性模型，對(duì)高阻尼橡膠隔震支座進(jìn)行了一系列的循環(huán)荷載剪切試驗(yàn)、分級(jí)的松弛試驗(yàn)及單調(diào)的松弛試驗(yàn)。提出了一個(gè)考慮高阻尼橡膠隔震支座非線性特性的流變模型。由于高阻尼橡膠隔震支座復(fù)雜的非線性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，如何提出一個(gè)合理的非線性模型來(lái)模擬高阻尼橡膠隔震支座的動(dòng)力特性仍有待進(jìn)一步的完善。
2)高阻尼橡膠隔震支座+SMA阻尼器。
由于高阻尼橡膠隔震支座在強(qiáng)地震作用下，有可能產(chǎn)生較大的支座位移，從而可能導(dǎo)致高阻尼橡膠隔震支座產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形，因此為了保證隔震層的有效性及安全性，在地震烈度較大區(qū)域，一般會(huì)采用高阻尼橡膠隔震支座與阻尼器組合使用的形式。目前主要在建筑工程領(lǐng)域使用的阻尼器類型有粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、壓電摩擦型阻尼器及SMA(形狀記憶合金)阻尼器等，SMA阻尼器因其具有超彈性特性和高阻尼特性，目前在隔震領(lǐng)域里正在逐步形成一個(gè)新的科學(xué)分支[15―16]。利用SMA的特性制作阻尼耗能裝置最早是由Graesser和Cozzarelli[17]提出的。自此以后，SMA阻尼耗能裝置的相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)外得到陸續(xù)開展。
國(guó)外SMA阻尼耗能裝置研究：1)各種樣式的阻尼器相繼研發(fā)成功，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。美國(guó)加州大學(xué)地震工程研究中心Peter[18]等研制出一種用于土木結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的SMA被動(dòng)阻尼裝置，它的設(shè)計(jì)采用了多股超彈性Ni-Ti索纏繞到2個(gè)距離固定的橢圓型柱上,該裝置稱為單面阻尼器。如果將兩個(gè)單面阻尼器組合起來(lái),可制成雙面阻尼器。性能測(cè)試結(jié)果表明,這種阻尼器具有穩(wěn)定的遲滯性，受頻率等因素的影響較小;美國(guó)加州E.SorbSystem的Robert[19]研制了另外一種SMA雙面阻尼器，稱為CT裝置。裝置的性能測(cè)試是在加州大學(xué)地震工程研究中心的一臺(tái)帶溫控的臥式平面試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。結(jié)果表明，在允許的范圍內(nèi)，該阻尼器性能不受頻率影響，而且抗疲勞性能良好;DolceM等[20]介紹了兩種基于形狀記憶合金的被動(dòng)控制裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種被動(dòng)控制裝置在大應(yīng)變循環(huán)下具有優(yōu)良的抗疲勞性、耐久性和可靠性。2)SMA阻尼器對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的減振效果研究。Williams、Chiu和Bernhard[21]采用3副形狀記憶合金絲和1副鋼絲制成適應(yīng)式減振器，并研究了這種減振器對(duì)梁的減振能力，提出此種減振器有希望發(fā)展成一種高效的振動(dòng)被動(dòng)控制技術(shù);AdachiY等[22]則提出一種形狀記憶合金阻尼器，通過(guò)一系列的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其能有效減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，尤其是在形狀記憶效應(yīng)階段，阻尼器的工作效果更好;Tamai等[23]將SMA棒和鋼筋復(fù)合在一起，形成一個(gè)耗能支撐裝置，并將其安裝在一框架結(jié)構(gòu)上，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種耗能支撐裝置可有效耗散結(jié)構(gòu)輸入的地震能量，并且在震后很容易進(jìn)行修復(fù)和置換。
3)SMA阻尼器。
在實(shí)際工程應(yīng)用方面，意大利的IndirliM等[24]通過(guò)深入的理論論證，采用SMA作為加固元件對(duì)意大利的教堂鐘塔進(jìn)行加固。在2000年的地震中，教堂鐘塔沒(méi)受到任何破壞，形狀記憶合金裝置有效控制了地震加速度和能量的輸入。采用SMA裝置加固與傳統(tǒng)加固方法相比，其優(yōu)越性在于既能起到很好的加固效果，又能保證古建筑的完整性，這是一例成功應(yīng)用于古建筑修復(fù)的事例。
在國(guó)內(nèi)，土木工程界的學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作。彭剛等[25]對(duì)形狀記憶合金耗能阻尼器設(shè)計(jì)理論方法進(jìn)行了研究。以Brinson本構(gòu)模型為理論依據(jù)，建立了阻尼器的熱力學(xué)非線性方程及其求解方法，并利用MATLAB編制的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，形狀記憶合金阻尼器具有較強(qiáng)的耗能能力;歐進(jìn)萍等[26]就X形和三角形SMA板式阻尼器的阻尼力滯回模型進(jìn)行了推導(dǎo);李忠獻(xiàn)等[27]提出應(yīng)用形狀記憶合金對(duì)斜拉橋的參數(shù)振動(dòng)實(shí)施半主動(dòng)控制，并數(shù)值模擬了其控制效果。結(jié)果表明，對(duì)斜拉橋參數(shù)振動(dòng)進(jìn)行SMA半主動(dòng)控制，不僅大幅降低了斜拉索和橋面板的振動(dòng)，而且能夠有效抑制斜拉橋參數(shù)共振的發(fā)生;薛素鐸等[28]提出一種新型SMA阻尼器，并對(duì)其在大跨空間結(jié)構(gòu)中的減振控制理論和方法進(jìn)行了相應(yīng)的探討。地震反應(yīng)時(shí)程分析表明，SMA阻尼器可有效減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng);張繼剛等[29]研制了一種錐形SMA阻尼器，并對(duì)其進(jìn)行了性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種SMA阻尼器具有良好的自復(fù)位能力，但其耗能能力和疲勞性差于絲材的SMA阻尼器;HanYulin等[30]設(shè)計(jì)了一種拉壓扭超彈性SMA阻尼器，并進(jìn)行了耗能試驗(yàn)研究;左曉寶[31]研制了一種變剛度復(fù)合摩擦SMA阻尼器，試驗(yàn)結(jié)果證明，其具有輸出控制力大、耗能能力強(qiáng)等特性。李宏男等[32]利用超彈性SMA絲的耗能能力和自復(fù)位能力，提出了一種新型的SMA阻尼器，試驗(yàn)研究了該阻尼器在循環(huán)荷載作用下不同位移幅值、不同加載頻率和不同初始位移條件下的力學(xué)性能，并通過(guò)建立的理論模型對(duì)阻尼器的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：開發(fā)的新型SMA阻尼器在循環(huán)荷載作用下形成穩(wěn)定的滯回曲線，具有良好的耗能能力及自復(fù)位能力。
縱觀近幾年的研究現(xiàn)狀，SMA阻尼器可以分為以下三類：1)SMA超彈性阻尼器，這是研究最多的一類阻尼器。這類阻尼器主要利用SMA超彈滯回耗能特性，達(dá)到耗散結(jié)構(gòu)輸入的能量。同時(shí)，在中等或小的受載情況下，其不會(huì)產(chǎn)生永久變形和位移，使SMA阻尼器具有自復(fù)位功能。2)SMA形狀記憶阻尼器。這類阻尼器主要是利用SMA的形狀記憶效應(yīng)和馬氏體階段SMA具有很高的阻尼特性研制的。由于SMA具有熱滯效應(yīng)，因而限制了這類阻尼器的應(yīng)用研究。隨著SMA材料性能的改進(jìn)和加熱方法的深入研究，這類阻尼器將會(huì)有很大的應(yīng)用前景。3)SMA復(fù)合阻尼器。這類阻尼器是將SMA與其他材料復(fù)合在一起制成阻尼器，從而使兩種材料達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高阻尼器的性能。這也是研究比較多的一類阻尼器，試驗(yàn)也證明其具有很好的減振耗能特性。
目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的SMA材料的種類有上百種之多，其中被普遍認(rèn)為具有實(shí)用價(jià)值且比較常用的主要有近等原子比Ni-Ti合金、Cu基形狀記憶合金和Fe基形狀記憶合金。其中Ni-Ti合金作為一種基礎(chǔ)材料被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中的阻尼器設(shè)計(jì)中。Ni-Ti記憶型合金最早是1960年被Buehler等[33]提出的。
Ni-Ti記性型合金具有以下特征：1)彈性應(yīng)變區(qū)域較大;2)滯回阻尼特性;3)高效可靠的耗能機(jī)制;4)在6%應(yīng)變之后會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象;5)卓越的低-高周疲勞性能;6)優(yōu)越的耐腐蝕性能;7)形狀自回復(fù)能力;Ni-Ti記憶型合金由于具備以上所提的超彈性及形狀記憶特性而被目前廣泛的應(yīng)用在工程的各個(gè)領(lǐng)域。
Han等[34]開發(fā)了一個(gè)同時(shí)考慮拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)方向的動(dòng)態(tài)阻尼器，Han等研發(fā)的動(dòng)態(tài)阻尼器包括兩個(gè)同心管以及Ni-Ti記憶型合金。能量主要通過(guò)Ni-Ti記憶型合金進(jìn)行耗散。通過(guò)大量的試驗(yàn)表明，能量通過(guò)內(nèi)外管道耗散量的大小與內(nèi)外管道內(nèi)Ni-Ti記憶型合金的布置數(shù)量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
Clark等[35]對(duì)將Ni-Ti記憶合金線纏繞在圓柱形的支撐構(gòu)件上所組成的阻尼器支座進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，Ni-Ti阻尼器支座具有很好的動(dòng)力性能，能很好的控制上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境溫度效應(yīng)下，Ni-Ti記憶型合金阻尼器能夠充分發(fā)揮去作用效能，一些學(xué)者[36―37]研制開發(fā)了一種能兼顧不同溫度效應(yīng)影響的Ni-Ti記憶型合金阻尼器，它的主要構(gòu)造原理是在阻尼器中配置不同配置不同種類的Ni-Ti記憶型合金以滿足在不同溫度條件下阻尼器都能夠很好的進(jìn)行能量耗散，從而對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)起到控制作用。——論文作者：朱宏平，周方圓，袁涌
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