隔震結構的抗震效果分析

鄭斌 陳倩

(浙江科技學院土木工程系，浙江杭州 310023)

0 引言

相比傳統抗震建筑，隔震建筑不僅在震時體現了其優越的抗震性能，也由于其上部結構只產生相對緩慢的平移，而在保護一些重要歷史文物、個人財產等方面起到了重要作用，同時還能有效預防二次災害的發生，并且震后僅需更換隔震裝置，建筑物便可重新使用，對震后的恢復工作極為有利。

1 隔震結構動力分析

1.1 隔震結構動力分析模型

對于基礎隔震結構，可將其上部結構視為剛性。故地震時結構體系的水平位移主要集中在隔震層，而上部結構只隨隔震層做水平整體平動，基本不發生相對位移。因此，基礎隔震結構便可簡化為一個單質點的動力分析模型(見圖1，圖2)。

1.2 隔震結構的加速度反應分析

在單質點動力分析模型中，假設結構的質量、剛度、阻尼分別為 m，k，c，xg為地面水平加速度。故地震作用下該體系的動力方程為:

Ra=1時表示結構的加速度響應既不放大也不減小，也即為隔震結構與傳統抗震結構的理論分界線值，而此時β=也就是說，Ra?1(β =時，結構的加速度響應衰減，發揮出隔震作用。

一般情況，隔震結構在抗震設防地震作用下的基本周期，約為相應不隔震結構基本周期的3倍左右［3］。以某一確定的阻尼比和頻率比(如 ξ=0.2，β ==2.5 ～4.0)進行分析，可分別得出隔震結構的加速度反應衰減比與傳統抗震結構的加速度反應衰減比，發現［4］:隔震結構的加速度反應可減小至傳統抗震結構的1/20～1/10。

1.3 隔震結構的位移反應分析

設上部結構與隔震層的相對位移為D，在地震作用下結構的動力微分方程為:

從圖4不同β下Rd—ξ關系曲線可以看出:當ξ?0.5時，β=越大，隔震結構的位移反應放大比Rd越小;當ξ?0.7時，β=~ω/~ωn越大，隔震結構的位移反應放大比 Rd越大;當 ξ=0.5～0.7時，隔震結構的位移反應放大比 Rd與 β=關系不明顯。而β=一定時，位移反應放大比Rd受阻尼比ξ影響較小。因此，減小結構自震頻率ωn(ξ≤0.7)和增大阻尼比ξ可以減小隔震結構的位移反應。

2 隔震結構特性測試

魏陸順，周福霖等人測試了福建省防震減災指揮中心在環境振動和隔震層發生初位移時結構的動力特性［5］，從而得到了該隔震結構的前3階頻率、振型和阻尼比，同時還測得了隔震層在小變形時的滯回性能和加速度響應。最終測試結果表明:在隔震層發生初位移時，結構的卓越周期比在環境振動作用下的周期長，且有較大的振型阻尼比;而在地震時，隔震結構能夠有效的減小結構的地震作用。

3 隔震結構經歷實際地震時的抗震效果

1995年1月17日，日本兵庫縣南部發生7.2級地震，在神戶市一棟隔震建筑——松村組技術研究所研究大樓得到了地震觀測記錄，同時對該建筑物邊上的一棟傳統抗震建筑物也進行了觀測［6］(見表 1)。

表1 松村組技術研究所研究大樓地震觀測數據 cm/s2

松村組技術研究所研究大樓為三層的鋼筋混凝土結構，其隔震層共使用了8個高衰減積層橡膠。從表1中數據可以看到，傳統抗震建筑的反應增幅較大，而隔震建筑的反應增幅明顯相對較小，其中屋頂的加速度相比，隔震建筑只相當于傳統抗震建筑物的1/4～1/2.5，且其各方向上屋頂與一層的反應加速度相差不大，隔震效果顯著。

4 結語

從以上動力分析、結構特性測試和實際抗震的結果可以得出以下結論:

1)減小結構自震頻率ωn(ξ≤0.7時)可以同時減小隔震結構的加速度響應Ra和位移反應Rd;而減小阻尼比ξ雖可以減小隔震結構的加速度響應Ra，但結構的位移反應Rd會增大。因此，進行隔震設計時，要合理選擇隔震結構的阻尼和剛度。

2)隔震建筑的抗震效果明顯。從理論上，隔震結構的加速度反應可減小至傳統抗震結構的1/20～1/10，而實際應用中可以達到1/4～1/2.5。

3)在隔震層發生初位移時，結構的卓越周期比在環境振動作用下的周期長，且有較大的振型阻尼比。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］周福霖.工程結構減震控制［M］.北京:地震出版社，1997:49-51.

［3］CECS 160∶2004，建筑工程抗震性態設計通則及條文說明(試用)［S］.

［4］黨 育，杜永峰，李 慧.基礎隔震結構設計及施工指南［M］.北京:中國水利水電出版社，2007:9.

［5］魏陸順，周福霖，陳建秋，等.隔震結構特性測試研究［J］.振動與沖擊，2007，26(3):150-165.

［6］日本免震構造協會.免震建筑［M］.王 晶，譯.北京:中國電力出版社，2009:22.