第３０卷第５期 工程抗震与加固改造 Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．５ ２００８年１０月 Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ ０ｃｔ．２ｏ０８ ［文章编号］１００２．８４１２（２００８）０５—００２４—０５ 考虑橡胶支座拉压刚度不同取值对隔震效果的影响研究 吴任鹏，王曙光，刘伟庆，杜东升（南京工业大学土木工程学院，江苏南京２１０００９） ［摘要］ 目前，国内外在隔震结构分析计算中，隔震支座竖向刚度采用拉、压刚度相等的力学模型。但是大量的研究和试 验表明，隔震支座的抗拉刚度只有抗压刚度的１／５～１／１０。采用目前隔震支座模型计算时，必然会过大地计算隔震支座的抗拉 刚度，并且放大了隔震支座的拉应力，不利于高层隔震结构的发展。为此，本文提出将一个橡胶隔震支座单元和一个间隙单 元并联来模拟橡胶支座，能真实反映隔震支座的力学性能。算例分析结果表明，采用新模型的隔震结构支座没有出现拉应 力，而其他力学指标相同。该力学模型可以应用到隔震结构的时程分析中，有利于高层、塔型等大高宽比隔震结构的发展。 ［关键词］ 隔震支座单元；间隙单元；并联；拉、压刚度 ［中图分类号］ＴＵ３５２．１ ［文献标识码］Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐｕｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｐｕｓｈｉｎｇ Ｓｔｉｆｎｅｓｓ ｏｆ ＲＢ＆ＬＲＢ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ＩｓｏｌａｔｉＯｎ Ｅ仃ｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ Ｗｕ Ｒｅｎ－ｐｅｎｇ，Ｗａｎｇ Ｓｈｕ－ｇｕａｎｇ，Ｌｉｕ Ｗｅｉ—ｑｉｇｎ，Ｄｕ Ｄｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， № ｎｇ ２１０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｗａｄａｙｓ ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｅｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｕｌｌｉｎｇ ｓｔｉｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｐｕｓｈｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｂｕｔ ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｕｌｌｉｎｇ ｓｔｉｆｎｅｓｓ ｏｆ ＲＢ＆ＬＲＢ ｉｓ １／５—１／１０ ａｓ ｍｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐｕｓｈｉｎｇ ｓｔｉｆｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｐｕｌｌｉｎｇ ｓｔｆｉｎｅｓｓ ｉｓ ｏｖｅｒｌａｒｇｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ１．Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ａｌｓｏ ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｉｎｇ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｒｕｂｂｅｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ａ ｇａｐ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ＲＢ＆ＬＲＢ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｒｕｅ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｏｗｅｒ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｓｏｌａｔｏｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｇａｐ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｐｕｌｌｉｎｇ＆ｐｕｓｈｉｎｇ ｓｔｉｆｎｅｓｓ １ 引言 结构的地震反应，确保人员和重要设备在强震中的 近年来，随着橡胶隔震技术的发展，叠层橡胶隔 安全 Ｊ。所以，准确模拟隔震支座单元直接关系 震支座在建筑结构中的应用已越来越普及，日本已 隔震计算的最终结果，也关系到隔震技术的推广。 建５０００多幢隔震建筑，中国也有４００多幢隔震建 ２ 目前采用的隔震支座模型 筑¨ 。由橡胶隔震支座形成的隔震层，具有较大的 目前，国内橡胶隔震支座的模拟采用了图１所 竖向承载力、足够大的初始水平刚度和较低的屈服 示的计算模型 ，在隔震支座没有拉应力和提离时， 后刚度以及一定的耗能能力，从而使隔震建筑在小 在隔震单元的轴向（图１中的１方向）保持线弹性特 震作用时，隔震层有足够的水平刚度，满足建筑物 征，在进行模拟分析时，只需要定义该方向的有效刚 的使用要求；在强震发生时，隔震建筑将建筑物的水 度和有效阻尼，有效刚度在整个分析过程中保持不 平变形主要集中在隔震层，延长结构体系的自振周 变，即隔震支座的拉、压刚度相同。其竖向恢复力模 期，减少输入到上部结构的地震能量，从而降低上部 型如图２（ａ）所示。 在隔震单元两个水平剪切方向用户可独立的指 ［收稿日期］２００８．０３．２１ 定线性或非线性的行为。如果两个剪切自由度均为 ［基金项目］ 国家自然科学基金（５０６０８０３９） 非线性，耦合的力．变形关系指定如下： 第３０卷第５期 吴任鹏，等：考虑橡胶支座拉压刚度不同取值对隔震效果的影响研究 ｆ／ ＝ｒａｔｉｏ２ Ｘ ｋ２ Ｘ ｄ ＋（１一ｒａｔｉｏ２）Ｘ ｙｉｅｌｄ２ Ｘ。２ ３．１ 间隙单元模型 【／ ＝ｒａｔｉｏ３ Ｘ ｋ３ Ｘ ｄｌｌ３＋（１一ｒａｔｉｏ２）Ｘ ｙｉｅｌｄ３ Ｘ＝３ 其中，ｋ 、ｋ 为２、３方向的弹性刚度；ｒａｔｉｏ 、ｒａｔｏ，为 ｉ间隙单元 只有轴向 特性（有压缩刚度，没有拉 伸刚度），水平两个剪切方 ２、３方向屈服后刚度和屈服前刚度的比值；ｙｉｅｌｄ 、 ，为２、３方向的屈服点； 、ｚ，为２、３方向的修 向的刚度为零，如图３所 示，因此也称为“只受压单 元。”该单元的力和变形关 系如下： 正系数，√ ＋ ；≤１。 颦羌 Ｆ 其它 ｆｆ＝ｋ（ｄ＋ｏｐｅｎ）ｄ＋ｏｐｅｎ＜０ 【厂＝０ 其中，ｋ是间隙单元竖向刚度。 如图３所示，间隙单元有一个初始距离，取值为 正值或零。拉伸时，缝间距变大，不具拉伸刚度；压 缩时，缝间距变为零，压缩刚度为ｋ。 ３．２隔震支座模型的改进 图１隔震单元模型 世 将隔震支座与间隙单元两个单元并联使用，共 同模拟改进后的隔震支座单元。不妨设改进前的隔 Ｉ 力 ／ 缩 ．一 ／ ／ 觑 ～ 震支座单元竖向刚度为ｋ ，水平两个方向的刚度ｋ ＝ｋ，。改进后的隔震支座单元竖向刚度为 ｋ，，水 平两个方向刚度为ｋ ＝ｋ ；间隙单元竖向刚度为 叩 ｋ ，水平两个方向刚度为零。则 ｌ＋】７２＝１，ｋ２＝ｋ３＝ｋ ２＝ｋ ３ 拉伸／ 应变 应变 隔震支座处于压缩状态时，隔震支座的竖向刚 （ａ）拉压刚度相同 （ｂ）拉压刚度不同 度由改进后的隔震支座单元和间隙单元共同承担， 为 ｋ ＋ ：ｋ。＝ｋ ；水平刚度由改进后的隔震支座 图２橡胶支座竖向恢复力模型‘ 大量的试验和研究表明，隔震支座的竖向拉伸 刚度与压缩刚度相比是很小的，只有受压刚度的１／５ ～单元单独承担，为ｋ ＝ｋ ；隔震支座处于拉伸状态 时，隔震支座竖向刚度由改进后的隔震支座单元单 独模拟，为＇７ ｋ ；水平刚度不变，还是ｋ ：＝ｋ ，。本 文将采取拉伸刚度为压缩刚度的１／７来检验拉压刚 度变化对隔震结构隔震支座应力和隔震效果的影 响。 １／１０ 。因此，如果按图２（ａ）模型进行计算，即 隔震支座的拉、压刚度相同，必然过大地估计支座的 抗拉刚度。这对于多层、小高宽比隔震支座不出现 拉应力的隔震结构，结果不会有很大的影响。但对 于大高宽比隔震支座容易出现拉应力的隔震结构来 说，必然会放大隔震支座的拉应力，而我国抗震规范 （ＧＢ５００１１－２００１）对隔震支座拉应力进行了严格的限 制 。因此，采用目前模型不利于容易出现拉应力 的高层、塔型等大高宽比隔震结构的发展。因此，对 隔震支座进行模拟时，要考虑拉压刚度不同这一非 ４算例分析 ４．１模型概要 上部结构为１２层钢筋混凝土框架结构，混凝土 强度等级为Ｃ３０，层高为３ｍ，高宽比为３．６。模型平 面如图４所示。 经过计算，在４个角柱下分别布置直径为 ６００ｒａｍ的铅芯橡胶支座（产品型号为ＬＲＢ６００），其余 ８个柱下布置直径为７００ｍｍ的天然橡胶支座（产品 型号为ＲＢ７００），支座的竖向参数如表１所示。地震 波采用Ｅ１ Ｃｅｎｔｒｏ波和Ｔａｆｔ波，ｙ向输入，对比其在 线性属性，竖向恢复力模型可采用图２（ｂ）所示的模 型。 ３橡胶隔震支座模型的改进 工程抗震与加固改造 ２００８年１Ｏ月 下的轴向力时程。从图中可以看出，间隙单元只受 ｙ 一ｆ、ｐＤ 足暴 。 压力作用，隔震支座单元既受压力，又受拉力作用， ０ Ｉｎ Ｊ 、 、 而且压力只有间隙单元的１／６左右，为了说明方便，姗瑚珈 如０ ８ 取压为正、拉为负。 Ｉｎ ，： 、 、 ，： 、 图６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）分别给出了改进后隔震 １ ６０００ ６０００ ６０００ ’ １８０００’ 支座单元和间隙单元在８．５度多遇和罕遇地震作用 下的面压时程。从图中可以看出，在８．５度多遇地 震作用下，改进前、后隔震支座单元最大面压几乎没 图４模型平面图 有变化，由于间隙单元不受拉应力作用，所以改进后 ８．５度多遇地震和罕遇地震作用下的分析结果。 的隔震支座单元压应力下限值较改进前偏大。在罕 表１隔震支座类型及参数 遇地震作用下，虽然最大面压没有什么变化，但是改 改进前 改进后 进前隔震支座进入受拉状态，最大值超过２ＭＰａ，而 改进后隔震支座没有进入受拉状态，从而说明目前 支座型号 拉、压刚度 支座拉、压刚度 间隙单元压缩 工程应用隔震支座的模型不合理，其过大地估计了 （ｋＮ／ｍｍ） （ｋＮ／ｍｍ） 刚度（ｋＮ／ｍｍ） 隔震支座的拉应力，从而不利于高层、塔型等支座容 ＬＲＢ６ｏｏ ２６６７ ３８１ ２２８６ 易出现拉应力的隔震结构的发展。姗瑚 ∞ｏ ＲＢ７ｏｏ ３６３２ ５ｌ８ ３Ｉ１４ 图７（ａ）、（ｂ），图８（ａ）、（ｂ），图９（ａ）、（ｂ）分别给 出了隔震支座的剪力、各层加速度及层间位移包络。 ４．２结果对比分析 从图中可以看出隔震支座的剪力、层间位移及加速 以拉应力最容易出现的支座１为例，支座１的 度等指标基本没有改变，从而说明改进后的隔震支 位置见图４。 座模型除改变隔震支座的竖向刚度外，没有改变其 图５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）分别给出了改进后隔震 余的特征参数，这也说明本文对隔震支座力学性能 支座单元和间隙单元在８．５度多遇和罕遇地震作用 的模拟是准确的，该方法可以推广应用到隔震结构 Ｚ ・蟹 幂 ０ １０ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５Ｏ 时间（ｓ） （ａ）ＥｌＣｅｎｔｒｏ波８．５度多遇 至 一 一 ．Ｒ 厘 星 幂 暴 １０ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５Ｏ 时间（Ｓ） （ｃ）Ｅ１Ｃｅｎｔｒｏ波８．５度罕遇 图ｓ改进后隔震支座单元和间隙单元轴向力时程（压为正。拉为负） 加 时㈣ 波 晰 ｊ三 黟 遇 ∞加 如 第３０卷第５期 吴任鹏，等：考虑橡胶支座拉压刚度不同取值对隔震效果的影响研究 ＾ｚ邑ｃＦ豁 一Ｂｄ 一幽惶 ０ ８ ６ ４ ２ ０ ２ ４ ・２７・ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ 如 ∞卯 ０∞∞如 ５ ４ ３ 邑 一 幽 值 出２ 喧 １ ０ ０ Ｏ １Ｏ ２０ ３０ ４０ ５Ｏ １Ｏ ２Ｏ ３０ ４０ ５０ 时间（Ｓ） 时间（ｓ） （ａ）Ｅ１Ｃｅｎｔｒｏ波８．５度多遇 （ｂ）Ｔａｉｌ波８．５度多遇 １０ ８ ６ 邑 幽陋２ ０ ２ ４ —０ １Ｏ ２Ｏ ３０ ４０ ５０ ０ １Ｏ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５０ 时间（ｓ） 时间（ｓ） ｆｃ）ＥｌＣｅｎｔｒｏ波８．５度罕遇 ｆｄ）Ｔａｉｌ波８．５度罕遇 图６改进前、后隔震支座的面压时程（压为正．拉为负） ３００ ２００ １ＯＯ ０ １００ ２００ ３００ ４００ ０ １０ ２０ ３Ｏ ４０ ５０ 一－０ １Ｏ ２Ｏ ３Ｏ ４Ｏ ５０ 时间ｆｓ） 时间（ｓ） （ａ）ＥｌＣｅｎｔｒｏ波８ ５度多遇 ｆｂ）ＥｌＣｅｎｔｒｏ波８．５度罕遇 图７隔震支座剪力时程 １４ ｌ４ ｌ２ １２ ｌ０ １０ ８ ６ ４ ８ 郑 ６ 隧 邳 ４ ２ ２ ０ ０．０２ Ｏ．０４ ０．Ｏ６ ０ ０ ０．００ ０．２０ ０．４Ｏ ０．６Ｏ 位移（ｍ） （ａ）Ｅ１ Ｃｅｎｔｒｏ波８．５度多遇 位移㈩ （ｂ）Ｅ１Ｃｅｎｔｒｏ波８ ５度罕遇 加速度（ｍ／ｓ ） 加速度（ｍ／ｓ２） （ｂ）ＥｌＣｅｎｔｒｏ波８．５度罕遇 （ａ）ＥｌＣｅｎｔｒｏ波８ ５度多遇 图８层间位移时程 图９层加速度时程 工程抗震与加固改造 ２００８年１０月 的时程分析中。 度、位移反应。改进后的模型适合实际工程的时程 ５结语 分析，将有利于推动高层建筑隔震技术的发展。 通过以上的对比分析，可以得到以下结论： （１）目前工程隔震结构分析计算中采用的拉压 参考文献： 刚度相等的隔震支座力学模型，过大地估计了隔震 ［１］周福霖．结构减震控制［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９７ 支座的抗拉刚度，从而放大了隔震支座的拉应力。 ［２］ 日本免震构造协会著，叶列平译．图解隔震结构入门 不利于隔震结构，特别是隔震支座容易出现拉应力 ［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９８ 的高层隔震结构的发展。 ［３］程华群．高层隔震设计方法研究［Ｄ］．南京工业大学硕 士学位论文，２００６ （２）将一个普通隔震支座单元和一个间隙单元 ［４］北京金土木软件技术有限公司．ＥＴＡＢＳ中文版使用指 并联，能有效地模拟隔震支座拉、压刚度不同的特 南［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４ 性，并且不改变隔震支座的水平刚度。间隙单元只 ［５］ 日本建筑学会著，刘文光译．隔震结构设计［Ｍ］．北京： 受压力作用。 地震出版社，２００６ （３）采用新的分析模型后，在多遇地震作用下， ［６］刘文光．橡胶隔震支座力学性能及隔震结构地震反应 对隔震支座的面压影响不大；在罕遇地震作用下，隔 分析研究［Ｄ］．北京工业大学博士学位论文，２００３ 震支座拉应力的出现几率大大减小，并且改进后的 ［７］ＧＢ５００１１－２００１，建筑抗震设计规范［ｓ］ 模型不改变隔震支座的剪应力以及上部的结构加速 ［作者简介］ 吴任鹏（１９８１一），男，山东烟台人，硕士研究生，研究方向为结构减震控制，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｒｐｅｄｕ＠１６３．ｃｏｍ 为汶川地震灾后恢复重建工作尽心尽力尽智 中国房地产及住宅研究会副会长 张元瑞 汶川大地震牵动了全国人民的心！在党中央和国务院领导同志及时、果断、坚强、有力的领导下，一方有 难，八方支援，国内、国际的爱心捐款和赈灾物资火速向灾区集中，十多万解放军、武警官兵和各地的志愿者 奔赴灾区进行奋不顾身、英勇卓绝的救援行动，灾区人民更是在进行着惊天动地、可歌可泣的抗灾自救行动。 在沉痛哀悼震灾死亡同胞的同时，一场举国一心、众志成城、抗震救灾、重建家园的伟大斗争正在迅速展 开。 ６月８日，国务院发布了《汶川地震灾后恢复重建条例》。要求“地震灾后恢复重建应当坚持以人为本、 科学规划、统筹兼顾、分步实施、自力更生、国家支持、社会帮扶的方针。”明确了“受灾地区自力更生、生产自 救与国家支持、对Ｅ１支援相结合”；“政府主导与社会参与相结合”等六项原则。并“鼓励公民、法人和其他组 织积极参与地震灾后恢复重建工作，支持在地震灾后恢复重建中采用先进的技术、设备和材料”。首先是要 做好对地震灾区的受灾群众进行过渡性安置。在开展地震灾害调查评估工作的基础上，组织编制地震灾后 恢复重建规划。 按照国务院抗震救灾总指挥部灾后重建规划组《国家汶川地震灾后重建规划工作方案》，住房和城乡建 设部和有关部门牵头指导和酝酿协调地方政府灾后恢复重建的城镇体系规划、农村建设规划、城镇住房建设 规划三个专项规划的编制工作已经展开。 又据报道，四川省灾后重建规划工作于５月３０日正式启动，计划用３年时间基本完成灾后重建的主要 任务。 国有难，共赴之；民有忧，共解之。在这场民族大难中，每个中国人都责无旁贷地要尽心、尽力、尽智。 在这场显示民心、显示国力的重建灾区家园的伟大斗争中，我们房地产业界也毫无例外地要以最大的爱 心、以强烈的社会责任感，为重建灾区家园做出应有的贡献，包括贡献财力、物力和聪明智慧，以我们的实际 行动，树立起与国民经济支柱产业相称的良好产业形象。 （原载《中国地产＞）２００８年第６期）
