1. 簡(jiǎn)述

隔震與消能減震是一種積極主動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，屬于結(jié)構(gòu)控制范疇。除隔震與消能減震結(jié)構(gòu)外，結(jié)構(gòu)控制方法還有質(zhì)量調(diào)諧減振（震)、王動(dòng)控制減振（震）及混合控制減振（震)。

隔震是通過(guò)設(shè)置某種隔離裝置,使結(jié)構(gòu)周期大大增加，并使其遠(yuǎn)離地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期，從而降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)作用。隔震按隔離裝置設(shè)置原理分為基底隔震、懸掛隔震兩大類(lèi)型。目前基底隔震技術(shù)方法比較成熟，已經(jīng)大范圍應(yīng)用于實(shí)際工程，我國(guó)也已有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)規(guī)程。由于要求基底隔震器承受上部建筑物的重力，一般基底隔震結(jié)構(gòu)適用于水平剛度較大、高度相對(duì)較低的多層結(jié)構(gòu)。設(shè)置隔離裝置后,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的周期比原結(jié)構(gòu)周期大大加長(zhǎng)，地震作用可顯著降低。

圖 1隔振器垂向和橫向運(yùn)動(dòng)

消能減震結(jié)構(gòu)是通過(guò)附加消能減震裝置與原結(jié)構(gòu)組成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，原結(jié)構(gòu)和附加的消能減震裝置均為這一新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的子結(jié)構(gòu)。這一新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性和消能能力與原結(jié)構(gòu)相比有較大變化，附加的消能減震裝置使得原結(jié)構(gòu)承受的地震作用顯著減小，從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的,減輕主結(jié)構(gòu)的損傷程度。

目前使用最多的隔震結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)隔震構(gòu)件，將下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)柔軟連接。

圖 2隔震裝置示意

在隔震裝置中，隔震支座占有重要地位。通過(guò)將不同元件的功能進(jìn)行組合,或選取不同的設(shè)計(jì)參數(shù),可以得到多種多樣的隔震支座。

隔震支座要求有較大的豎向承載力與豎向剛度,以保證承受上部結(jié)構(gòu)的自重;水平方向上則較為柔軟,以保證隔震支座的隔震效果,即應(yīng)有使建筑物恢復(fù)到原位置的剛度,同時(shí)應(yīng)注意保證水平方向有較大的變形能力，以充分發(fā)揮隔震效果。除了良好的力學(xué)性能，隔震支座還要有良好耐久性與穩(wěn)定的質(zhì)量,以保證能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地承的受荷載。為了確保隔震支座的性能正常發(fā)揮，應(yīng)當(dāng)重視隔震支座的后期維護(hù)工作,及時(shí)維護(hù)、更換。

在實(shí)際工程中常用的疊層橡膠支座、摩擦擺隔震支座、摩擦滑移隔震支座、滾動(dòng)隔震支座等由于豎向剛度很大，對(duì)豎向震動(dòng)沒(méi)有隔震效果。彈簧隔震支座利用豎向彈簧減小上部結(jié)構(gòu)在豎向地震下的動(dòng)力響應(yīng),從而起到隔震效果,如圖3所示。為了耗散豎向地震能量,往往還需要設(shè)置豎向阻尼器。

圖 3彈簧隔震支座

2. 設(shè)計(jì)荷載及有限元模型

通過(guò)對(duì)建筑的隔震設(shè)防計(jì)算得到隔振層處隔震支點(diǎn)的荷載如下表1所示。

以設(shè)防烈度荷載值作為彈簧載荷依據(jù)，隔振器彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)如下表所示。

板材材料為Q355D，抗拉強(qiáng)度>500Mpa，屈服強(qiáng)度>355Mpa。

彈簧材料為40SiMnVBE，彈簧抗拉強(qiáng)度>1900Mpa，彈簧屈服強(qiáng)度>1700Mpa。

圖 4隔振器有限元模型

隔振器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)選用一下荷載工況進(jìn)行計(jì)算。

3. 分析結(jié)果

3.1 工況1

圖 5下板vonMises應(yīng)力

圖 6下板最大切應(yīng)力

 圖 7上板vonMises應(yīng)力

 圖 8上板最大切應(yīng)力

計(jì)算得到理論切應(yīng)力為699Mpa，誤差為10.5%。理論值與有限元結(jié)果很接近。同時(shí)分析彈簧簧絲內(nèi)圈應(yīng)力較大的原因是因?yàn)閮?nèi)圈曲率較小， 存在一定的應(yīng)力集中導(dǎo)致。

3.2 工況2

 圖 11下板vonMises應(yīng)力

圖 12下板最大切應(yīng)力

 圖 13上板vonMises應(yīng)力

 圖 14上板最大切應(yīng)力

4. 結(jié)論

本文僅列出了設(shè)計(jì)計(jì)算的兩個(gè)工況，工作荷載和地震荷載。兩種工況下隔振器的彈簧和上下板均有一定的安全裕度。

仿真采用設(shè)備基體情況：

CPU：Intel(R) Xeon(R) W-3175X CPU @ 3.10GHz (28核)

內(nèi)存（RAM）：192GB

模型耗時(shí)情況：每個(gè)工況耗時(shí)：0.5h。

5.模型文件

spring.rar