將隔震技術(shù)引入土木工程專業(yè)建筑工程方向教學(xué)過程的探索

將隔震技術(shù)引入土木工程專業(yè)建筑工程方向教學(xué)過程的探索

基礎(chǔ)振動技術(shù)是房屋結(jié)構(gòu)施工中最有效、最實(shí)用的衰減技術(shù)。中國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)》(以下簡稱“規(guī)范”)已將該項(xiàng)技術(shù)納入其中。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范的對應(yīng)性,應(yīng)該及時(shí)地將基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容納入土木工程專業(yè)建筑工程方向的教學(xué)中。但是由于教材編寫和出版的滯后性,該項(xiàng)技術(shù)不可能及時(shí)反應(yīng)在教材中。而且,由于是首次納入規(guī)范,一些規(guī)范條款的操作性不強(qiáng),常規(guī)的設(shè)計(jì)軟件還不能直接設(shè)計(jì)采用該項(xiàng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)特殊的時(shí)段內(nèi)就需要由任課教師來完成,即將這個(gè)較為成熟的基礎(chǔ)隔震新技術(shù)有步驟地納入教學(xué)的各個(gè)相關(guān)階段。但是,這個(gè)過程必須與學(xué)生的知識相銜接,與現(xiàn)有的專業(yè)教學(xué)過程匹配,最后,要在畢業(yè)設(shè)計(jì)題目中將這一過程落到實(shí)處。基于這種認(rèn)識,筆者選定在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)、建筑抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)3個(gè)環(huán)節(jié)中開展相關(guān)工作。實(shí)踐表明,學(xué)生能順利地接受這個(gè)過程,基本上實(shí)現(xiàn)了這部分新內(nèi)容與原有教學(xué)過程的無縫連接。一、在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中，增加了與基本振動技術(shù)工作機(jī)有關(guān)的動態(tài)內(nèi)容(一)結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程內(nèi)部的內(nèi)容分析在迄今為止所有的結(jié)構(gòu)力學(xué)教材的動力學(xué)中,都指出伴生自由振動可以忽略不計(jì)。實(shí)際上,當(dāng)荷載頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí),瞬態(tài)振動在總反應(yīng)中所占的比例是很大的。而且,阻尼不太大時(shí),瞬態(tài)振動也不會在短時(shí)間內(nèi)減少到可以忽略的程度。隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)中,這部分振動有時(shí)還會起主要作用。因此,筆者在教學(xué)中增加了這部分內(nèi)容的講解與討論,并引出了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)技術(shù)。事實(shí)上,要做到能將這部分內(nèi)容清晰、恰當(dāng)?shù)卦谡n堂上講授,需要在課下做大量的研究和整理工作。基于這部分工作的研究成果修正了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的有關(guān)結(jié)論,填補(bǔ)了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)相關(guān)內(nèi)容的空白。成果的論文已發(fā)表在《力學(xué)與實(shí)踐》《地震工程與工程振動》《振動測試與診斷》雜志上。(二)基礎(chǔ)隔震技術(shù)在現(xiàn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中,討論的重點(diǎn)是動力位移,對加速度的討論幾乎沒有。而基礎(chǔ)隔震技術(shù)的特點(diǎn)就是能顯著地降低結(jié)構(gòu)的絕對加速度反應(yīng)。因此,筆者增加了簡諧荷載下不同阻尼比時(shí),結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)與頻率比的關(guān)系的討論。通過討論,學(xué)生明確了抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)抵御地震的不同方式。(三)隔震層的位移在現(xiàn)行的教材中,對位移的討論是通過位移動力放大系統(tǒng)與頻率比的關(guān)系展開的,結(jié)論是頻率越大,動力放大系數(shù)越小,但是,位移動力系數(shù)降低并不意味著動位移就一定降低。而隔震結(jié)構(gòu)中,對隔震層的設(shè)計(jì)更關(guān)心的是隔震層的實(shí)際位移,并且,為了保證隔震層不失穩(wěn),還需要對隔震層的位移進(jìn)行限制。當(dāng)隔震層位移超過容許值時(shí),采用什么措施能在保證減震效果的同時(shí)降低隔震層的位移呢?要回答這個(gè)問題,對動位移與頻率比的關(guān)系進(jìn)行討論是十分必要的。事實(shí)上,在隔震層增加阻尼,雖然對隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)影響不大,但卻能有效地降低隔震層的位移。因此,在動力反應(yīng)的討論中增加這部分內(nèi)容是必要的。二、在建筑物的抗疲勞工程概論課程中，增加了基于單元的抗振動器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容(一)總重力荷載代表值和其他民法在底部剪力法中,對于普通抗震結(jié)構(gòu),總重力荷載代表值取各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的重力荷載代表值之和的0.85倍;地震作用按三角形分布,總地震作用按重力荷載代表值和高度的乘積分配給每一質(zhì)點(diǎn)。但是,在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)中,由于結(jié)構(gòu)隔震層的剛度約占與上部結(jié)構(gòu)的層間剛度的1/50~1/100,地震時(shí),上部結(jié)構(gòu)近似為整體平動。因此,總重力荷載代表值應(yīng)該取各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的重力荷載代表值之和;地震作用在隔震層以上是按矩形分布的,總地震作用應(yīng)按重力荷載代表值分配給每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。(二)隔震層上的荷載在內(nèi)力分析時(shí),應(yīng)該讓學(xué)生明確基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的特點(diǎn)。研究表明:(1)隔震結(jié)構(gòu)二層及其以上構(gòu)件桿端彎矩可以認(rèn)為與非隔震結(jié)構(gòu)相等。(2)隔震結(jié)構(gòu)一層柱頂?shù)膹澗刂翟黾臃扰c梁柱的線剛度比基本無關(guān),但隨隔震層上荷載的增加而增加。當(dāng)隔震層上的荷載與一層荷載相等時(shí),一層柱頂?shù)膹澗刂捣€(wěn)定在非隔震結(jié)構(gòu)的1.5倍。(3)隔震結(jié)構(gòu)一層柱根的彎矩增加幅度很大,增加的幅度與隔震層上部梁板結(jié)構(gòu)的荷載成正比,并隨著梁柱剛度比的增加而降低。當(dāng)隔震層上的荷載與一層荷載相等時(shí),一層柱根的彎矩最大為非隔震時(shí)的4.8倍,最小也要增加到非隔震時(shí)的3.2倍。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)對于兩種荷載組合(恒荷+活荷、地震作用+重力荷載代表值)究竟哪一種對一層柱子的截面設(shè)計(jì)起控制作用需進(jìn)一步研究,不能籠統(tǒng)地認(rèn)為只要采用隔震,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力就一定會減少。(4)隔震結(jié)構(gòu)一層梁端的彎矩略有增加,但最大不超過非隔震時(shí)的1.2倍。(三)隔震層頂部梁板結(jié)構(gòu)承載力的提高研究表明,隔震層頂部梁端彎矩與這兩個(gè)構(gòu)件的荷載比值成正比。當(dāng)隔震層頂部梁板結(jié)構(gòu)與一層梁板結(jié)構(gòu)的尺寸相同時(shí),二者的桿端彎矩是相等的。因此,規(guī)范中提到的隔震層頂部梁板結(jié)構(gòu)承載力的提高應(yīng)理解為隔震層頂部梁板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲備或安全度要提高。有了這個(gè)認(rèn)識,學(xué)生就可以把握隔震層頂部梁板的剛度和承載力提高的幅度。三、作為最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的附加設(shè)計(jì)主題在畢業(yè)設(shè)計(jì)中,除了按規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)步驟和要求進(jìn)行設(shè)計(jì)外,還增加了以下兩方面的內(nèi)容。(一)結(jié)構(gòu)模型的代替在現(xiàn)行的PKPM設(shè)計(jì)軟件中,沒有橡膠隔震支座的描述,因此,采用該軟件進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需要對隔震層進(jìn)行特殊處理。為了方便,采用混凝土長柱代替隔震支座,代替的原則是保證隔震支座與鋼筋混凝土柱子水平剛度相等、豎向承載力相等,這樣可以保證替換后的結(jié)構(gòu)在荷載作用下,上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、隔震層的層間剪力、水平位移與實(shí)際隔震結(jié)構(gòu)一致。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比一般取0.05。對于隔震結(jié)構(gòu),水平變形絕大部分集中在隔震層,上部結(jié)構(gòu)接近平動,因此,上部結(jié)構(gòu)阻尼的貢獻(xiàn)很小。故阻尼比取隔震層的阻尼比。(二)風(fēng)荷載和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題隔震支座轉(zhuǎn)換成等效柱子后,柱子的高度一般為8~10m。輸入數(shù)據(jù)時(shí),與普通框架結(jié)構(gòu)不同的地方有以下幾個(gè)方面。(1)周期折減系數(shù)。周期折減是考慮框架中圍護(hù)墻和隔墻對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn),一般取0.6~0.8。對于隔震結(jié)構(gòu),基本周期主要取決于隔震層的剛度和上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,與上部結(jié)構(gòu)中墻體關(guān)系不大,且隔震層本身沒有墻體,因此周期不需要折減,折減系數(shù)應(yīng)取1.0。(2)風(fēng)載問題。普通框架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),一層層高從基礎(chǔ)頂部算起。對于隔震結(jié)構(gòu),隔震層位于地下,因此應(yīng)將隔震層設(shè)置為無側(cè)向支撐的地下室。這樣既保證了上部結(jié)構(gòu)的風(fēng)載計(jì)算與實(shí)際情況相符,也保證了隔震層水平向振動的可能。(3)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題。規(guī)范規(guī)定,隔震層以下結(jié)構(gòu)地震作用的抗震驗(yàn)算應(yīng)采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算時(shí)采用長柱代替隔震支座,二者的豎向力和水平力相等,但力矩并不相等。因此,不能將長柱柱底內(nèi)力直接用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。這時(shí)可以將長柱中間截面的剪力、軸力和偏心矩作為隔震支座中間截面的剪力、軸力和偏心矩,據(jù)此得到支座底部的內(nèi)力。然后,就可以進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了?；A(chǔ)設(shè)計(jì)需要注意的是基礎(chǔ)埋置深度的確定。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ7-89)》(以下簡稱“基礎(chǔ)規(guī)范”)規(guī)定,對于獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)從室內(nèi)地面標(biāo)高算起。對于隔震結(jié)構(gòu),這樣取是不對的。因?yàn)榛A(chǔ)規(guī)范中的基礎(chǔ)埋置深度是指基礎(chǔ)上覆土層的厚度。在計(jì)算基礎(chǔ)埋置深度時(shí),隔震層約1.5m的工作空間高度應(yīng)該減去。這樣,計(jì)算的地基承載力設(shè)計(jì)值比不隔震結(jié)構(gòu)會低一些,條形基礎(chǔ)的寬度也會有一定程度的增加。四、認(rèn)真分析和提煉新觀點(diǎn)和新產(chǎn)品在將基礎(chǔ)隔震新技術(shù)引入教學(xué)的過程中應(yīng)該注意以下幾個(gè)問題:(1)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中,要認(rèn)真?zhèn)湔n。因?yàn)?一些隔震結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的特點(diǎn)在教材中是沒有的,有些甚至是與以前的觀點(diǎn)有一定的差別。因此,教師要進(jìn)行充分的論證和提煉,力求深入淺出地講解新內(nèi)容和新觀點(diǎn)。(2