兩種隔震結構體系的力學機理分析及工程應用

董  靖

(中天建筑設計有限公司  475004)

1、引言

    為保證人民生命財產在強震中的安全，土木工程結構要進行抗震設計。這種設計是否安全可靠又經濟合理，在較大程度上決定于抗震設計思想及抗震技術。結構隔震技術基于以“柔”克剛的思想，通過調整結構動力特性來避開與場地和上部結構的共振危險性，實現了對結構及其內部設備的“雙保護”要求。我國現已建成的隔震結構還不足450棟，且大多是基礎隔震體系。基礎隔震就是在建筑上部結構與基礎之間設置隔震層以隔離地震能量的房屋隔震技術，是我國《建筑抗震設計規范》(GB50011—2001)規范對象。盡管基礎隔震體系隔震機理明確，減震效果明顯，也適用于不同烈度和不同抗震要求的建筑物，但是也有不足：首先，基礎隔震限制了建筑物的高度；要求結構剛度分布均勻；對于目前量大面廣的底層框架上部砌體結構隔震效果不明顯。隨著隔震技術研究和應用的發展以及某些實際工程的特殊需求，在實際應用中出現了一些新的隔震體系。根據隔震層位置，有基礎隔震體系和層間隔震體系之分。層間隔震體系就是把隔震層設置在建筑中間層而形成的隔震體系。這種隔震技術與基礎隔震技術相比，也是減少地震動向上部結構的傳遞．但能同時減小下部結構振動，這是與基礎隔震結構體系不同的。鑒于基礎隔震體系發展現狀及層間隔震體系工程應用現狀，有必要對兩種隔震體系從結構動力學角度出發，對它們的減震機理、減震效果、應用范圍等作充分的比較研究。

2、兩種隔震體系的減震原理

    2.1基本假定

    由于建筑結構的平面尺寸相對地震波長較小，所以本文在建立隔震體系的動力微分方程時，采用以下三條假定：(1)一致輸入假定，即不考慮地震動的多點輸入的行波效應以及相干效應。(2)基礎為無限剛性基礎，因此理論分析的結果與振動臺試驗結果具有可比性。(3)隔震層所采用隔震支座為疊層橡膠隔震支座。

    2.2基礎隔震結構減震原理

    2.2.1基礎隔震結構的動力分析模型

    (1)單質點模型，假定上部結構為剛體，在地震作用下，只作剪切型平動，結構變形集中于隔震層，忽略上部結構層間相對變形。由于地震作用水平分量占主要成分，并且隔震結構的地震反應以基本振型為主，所以采用這種單質點模型可以較為簡便的估算水平地震作用下隔震結構的反應。

    (2)多質點計算模型，對于上部結構較為高柔的高層隔震結構，層問剛度相對較小，結構的地震反應分析宜采用多質點計算模型。這種基礎隔震模型是將隔震層，單獨作為一層，同時將上部結構每層集中質量化，假定結構主要受到水平地震作用，不考慮扭轉振動．與單質點模型不同的是，其認為上部結構存在層間變形，其計算結果相對單質點體系精度有所提高。我國《建筑抗震設計規范》(GB50011—2001)規定，在一般情況下，只要保證一個振動方向上有前三階振型就可以滿足一般工程要求。因而在實際工程隔震設計時也多采用這種簡化的多質點模型。

    (3)平動加轉動模型，對于較為高柔的隔震結構，如多層鋼框架結構或多層鋼筋混凝土框架結構，其層間剛度相對較小，豎向荷載較大．在地震作用下，可能產生豎向以及扭轉振動。需要考慮兩個方向平動u、V及一個方向的轉動0。

    2.2.2基礎隔震結構的動力方程

    采用上述多質點體系考慮平動和轉動的計算模型，見上圖3。假設隔震層上部平板為剛體，可同時產生平動和轉動。

    2.3層間隔震結構減震原理

    2.3.1層間隔震結構動力分析模型

    在層間隔震體系的工程設計中，采用的層間隔震體系的計算模型主要有以下三種：

    (1)兩質點模型，將隔震層上部(含隔震層)結構和隔震層下部結構分別簡化成一個質點，得到兩質點模型。這種模型形式簡單，且突出了層間隔震結構的主要影響參數，特別適用于層間隔震結構的參數分析。

    (2)三質點模型，將隔震層上部結構、隔震層及隔震層下部  結構分別簡化成一個質點得到三質點模型。與兩質點模型不同的是，三質點模型將隔震層單獨作為一個質點考慮。

    (3)多質點模型，將結構每一層當作一個質點，得到多質點模型。這種模型能直觀、且較為準確地反映層間隔震結構各層動力反應，適用于具體結構設計和時程分析。

    2.3.2以上建立的基礎隔震和層間隔震結構的動力方程都可以采用時程分析法求解，由初始狀態開始逐步積分直至地震終止，求出結構在地震作用下從靜止到振動直到振動終止的整個過程的地震反應(包括非線性地震反應)，根據具體假定的不同，有線性加速度法、Wilson一θ法，Newmark—β法等。在實際計算時，可以視具體情況選擇相應的算法求解。

3、實際工程比較分析及應用

    3.1工程算例

    本文以某7層底層框架上部砌體磚房建筑為例，利用編制的結構動力分析程序，分析了其在三種工況下的結構基本振型的地震位移反應。建筑結構概況及工況如下。

    七層底層框架一抗震墻磚房，底層橫向有4道鋼筋混凝土抗震墻，縱向有5片鋼筋混凝土抗震墻，底層橫向外墻為磚抗震墻，縱向外墻也有一定數量的磚抗震墻．框架梁截面尺寸為300 X700mm，柱截面邊柱和中柱均為400 X500mm(框架梁柱及鋼筋混凝土墻的混凝土強度等級為C30。結構二層以上為多層磚房，第l、2層磚墻的材料強度等級為：磚MUl0，砂漿 M7.5；第3—7層磚為MU7.5，砂漿為M5，該房屋建造地區的基本烈度為8度，場地為二類。

    工況：工況一為沒有進行隔震設計的傳統底層框架上部磚砌體結構；工況二為在底層和基礎之間加設夾層橡膠支座的底層框架上部磚砌體的建筑；工況三為在底層和二層之間加設夾層橡膠支座的底層框架上部磚砌體的建筑。從左到右依次為工況一、二、三。

    現對三種工況利用編制的程序進行分析。對三種工況分別輸入相同的地震波，選取適合于2類場地土的南北向的埃爾森特羅波，地震時間間隔0.02秒，持續時間取30s。

    由上述算例所得的三種工況的結構位移對比可以看出：(1)在相同的地震輸入下，相同場地上的純剪框架抗震性能最差，底層框架上部砌體的建筑結構，雖利用了底層軟弱層一定程度。

    減少了上部結構地震反應，但是在地震作用下，底部軟弱層容易形成變形集中，因而最易破壞；(2)針對我國城市目前存在的量大面廣的底層框架上部砌體的現狀，要提高這類房屋的抗震性能，采取本文提出的在底層和上部磚砌體第二層之間設置隔震層的層間隔震方法，可以提高整個結構的抗震能力。(3)在底層框架上部磚砌體結構中，層間隔震效果優于基礎隔震。

    3.2應用范圍探討

    3.2.1基礎隔震結構的應用范圍

    基礎隔震結構目前主要實際工程應用的情況有：常年住人或有密集人群而要求確保地震時人們生命安全的建筑物；地震時不損壞以免導致嚴重次生災害的建筑結構物；地震區的重要建筑結構物；內部有重要設備儀器，需確保地震時不損壞的建筑物等；城市生命線工程等。

    3.2.2層間隔震結構體系的應用范圍

    理論分析和試驗結果都表明采用層間隔震技術后，在常遇地震作用下，隔震支座水平變形變小，隔震層的上部各層位移并未明顯減少，而在罕遇地震作用下，隔震支座水平變形較大，它的減震效果在10％一40％之間，有效地消耗了地震能量，從而使隔震層的上部各層的位移有比較明顯的減少。同時由于隔震裝置上移到結構的中間層或頂層，因而層間隔震體系具有較為廣泛的工程應用范圍。層問隔震體系的應用情況主要有：(1)底部框架，上部砌體或者塔樓結構；(2)舊有房屋增層或者加固；(3)地形復雜、坡地等建筑場地；(4)特殊工作環境需要隔震層上移以保護隔震裝置免遭侵蝕的工程結構。

4、結語

    上述兩種隔震體系各有所長。隔震設計時，對于不同類型的建筑結構，要采用不同的隔震技術，需對隔震層位置設置加以優化，才能達到最佳的隔震效果。總的來說，對于目前國內量大面廣的底層框架上部砌體建筑，可以采用層間隔震技術，改善結構抗震性能。

參考文獻

[1]劉晶波，杜修力，結構動力學，機械工業出版社，2006

[2]高小旺等，底層框架一抗震墻磚房抗震能力的分析方法[J]，建筑科學，l995，(4)

[3]高小旺等，底層框架一抗震墻磚房的抗震性能[J]，建筑結構，l997，(2)

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)