基礎隔震結構扭轉減震評價

夏同雪 毛利軍 王倩玲

(南京航空航天大學航空宇航學院，江蘇南京 210000)

0 引言

基礎隔震是目前發展比較成熟的結構被動控制的一種，它是通過在上部結構與基礎之間設置一定數量的隔震器，阻尼器來隔離地震能量向上部結構的傳遞，減少輸入到上部結構的能量，降低上部結構的地震反應，達到預期的防震要求。歷次地震震害表明，扭轉效應是引起建筑結構地震破壞的重要因素，許多不規則的偏心建筑物表現出了明顯的扭轉震害反應，基礎隔震技術也被廣泛的應用于減小偏心扭轉結構的地震反應。江宜城、唐家祥對單層、多層框架單軸偏心結構的扭轉地震反應進行了分析，結果表明采用基礎隔震技術可顯著減小結構的扭轉反應［1，2］;Crosbie［3］最早提出可以采用基礎隔震的方法來降低地震作用下由于結構偏心造成的扭轉反應;魏德敏［4］采用高層建筑三維有限元分析程序ETABS，對基礎隔震高層建筑結構進行了地震反應分析，并與非隔震結構進行對比，表明采用基礎隔震可減小高層隔震結構的水平及扭轉地震反應;Arturo Tena-Colunga，Christian Zambrana-Rojas［5］研究了在雙向地震作用下，三層隔震結構的扭轉反應。所研究的上部結構在未隔震的情況下，自振周期為1．5 s～3 s。隔震支座滯回特性用雙線性恢復力模型來模擬。研究結果指出隨著隔震層偏心的增大，隔震結構的隔震效果相應地減小。這些研究成果都說明基礎隔震對控制結構的扭轉起到一定的作用，但是對偏心扭轉結構的減震率沒有明確的規定，《建筑抗震設計規范》［6］提出了水平減震系數的概念，按減震系數進行設計，考慮地震作用下隔震結構平動的減震率。張文芳［7］針對某框架結構教學樓研究了摩擦阻尼和橡膠支座恢復力配置比R對結構減震系數的影響，研究表明采用參數R分析減震效果時，摩擦阻尼一定，而增大R結構的層間剪力和減震系數都減小，但當R值大于5時，減震系數趨于穩定值。

上述研究都沒有考慮影響結構扭轉的因素對結構減震率的影響，本文基于不同隔震層偏心率提出了考慮偏心結構扭轉減震系數，用隔震結構與非隔震結構最大扭轉角的比值定義為扭轉減震系數，通過ETABS結構設計軟件分析隔震層偏心率對偏心扭轉結構平動減震系數及扭轉減震系數的影響。

1 工程概況

以某實際工程為抗震結構原型，其結構形式為鋼筋混凝土框架結構，總高27．0 m，底層層高5．0 m，第二層層高4．0 m，標準層層高3 m，丙類建筑，設防烈度為8度，地震基本加速度為0．30g，Ⅱ類場地，特征周期為0．45 s，地震波選取了5條實際強震記錄和2條人工模擬的加速度時程曲線，將這7條加速度時程曲線輸入到抗震結構并與振型分解反應譜法計算出的結構底部剪力相比，計算表明，每條波計算所得的結構底部剪力大于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條波計算所得結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，可見所選取的7條地震波符合建筑抗震設計規范的要求，最終計算結果取7條地震波結果的平均值。

經計算，本模型上部結構僅存在X方向的偏心，為簡化計算，隔震層的布置也僅考慮了X方向的偏心，本章在上部結構布置不變的情況下通過改變鉛芯隔震支座與橡膠隔震支座的數目或型號改變隔震層的偏心率，本文取 ebx=0．01，0．02，0．03，0．04，0．05，0．06。所建模型ETABS三維視圖及隔震層布置如圖1所示，隔震層偏心率的改變是通過改變鉛芯隔震支座與橡膠隔震支座的數目或型號來實現的。

圖1 ETABS模型三維視圖及隔震層布置圖

2 結構扭轉分析

目前，國內外許多學者都對隔震層偏心率對隔震結構的平移—耦聯效應進行了研究，但是得到的看法并不統一。美國學者Lee［8］和 Pan等［9］認為，只要隔震裝置偏心程度很小，即使上部結構偏心較大，結構的扭轉反應也會很小，扭轉反應可以忽略;但Nagarajaiah等人［10］認為，即使隔震層偏心很小，上部結構的偏心仍會使結構產生扭轉。M．Eisenberger和 A．Rutenberg［11］研究了單軸對稱的三榀基礎隔震框架結構(分別為2層，5層，10層)的地震反應。該研究結果表明當隔震層偏心較小時，上部結構的偏心對基礎隔震結構的扭轉反應影響不大。本文在上部結構保持不變的情況下改變隔震層偏心率，觀察上部結構的扭轉反應，隔震結構的扭轉效應用扭轉角來表示，隔震結構扭轉角隨隔震層偏心率變化趨勢如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著隔震層偏心率的增大，結構的扭轉角隨之增大。且當隔震層的偏心率大于5%時，基礎隔震結構的扭轉角增幅較大。規范中用周期比和位移比來表示結構的扭轉程度，位移比是指樓層豎向構件(即墻、柱)的最大水平位移與層間平均位移的比值，周期比是指扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T之比。

圖2 不同隔震層偏心率扭轉角的變化

本文六個模型的周期比，位移比如表1所示。

表1 周期比和位移比指標

圖3 七條地震波下計算的兩種減震系數對比

由表1可以看出，對于規范中的周期比不大于0．9六個模型都符合，也能夠顯示出隔震層偏心率增大，周期比變大。對于規范中規定的結構位移比不應大于1．5，在Y方向，平面布置規則，位移比保持不變;在X方向，隨著隔震層偏心率的增大，結構的位移比增大。

3 減震率分析

模型采用剛性樓板假設，在扭轉角計算中，可認為對每一層樓板在扭轉反應中是一剛性轉動，各層扭轉角的計算取同一X坐標整體樓板上下各端部點，每邊端點沿樓層高度位于同一條豎直線上。由于結構無論是隔震層還是上部結構只存在X方向的偏心，因此扭轉角最大的地震作用方向是與偏心方向垂直的Y方向的地震波。七條地震波計算得到的水平減震系數與扭轉減震系數對比及由七條地震波計算得到的層剪力與扭轉角平均值的水平減震系數與扭轉減震系數關系如圖3所示。

由圖3分析可知，雖然不同的地震波得到的水平減震系數與扭轉減震系數都不相同，但是他們都有相同的變化趨勢，即隨著隔震層偏心率的增大，水平減震系數減小而扭轉減震系數卻增大。由最后平均值的對比圖可以得出，在隔震層的偏心率ebx在5%以下時，水平減震系數要大于扭轉減震系數，結構的減震效果可以用水平減震系數表示;而當隔震層的偏心率ebx大于5%時，結構水平減震系數迅速減小而扭轉減震系數卻迅速增大，當隔震層的偏心率為6%時，扭轉減震系數已經大于水平減震系數，結構的減震效果就不能單純的靠水平減震系數來判斷。

4 結語

1)隨隔震層偏心的增大，偏心裙房結構的扭轉角增大，并且隔震層偏心率大于5%后結構扭轉角增大幅度較大。

2)隨隔震層偏心率增大，基礎隔震結構的水平減震系數呈減小的趨勢，而以結構最大扭轉角定義的扭轉減震系數則總體呈增大趨勢，并且當隔震層偏心率大于5%后，扭轉減震系數大于水平減震系數，偏心裙房結構的減震效果不能用水平減震系數來表示。

［1］江宜城，唐家祥．單軸偏心的基礎隔震結構扭轉反應分析［J］．華中理工大學學報，1999(6):81-83．

［2］江宜城，唐家祥，李媛萍．多層框架隔震結構的地震扭轉反應分析［J］．工程抗震，2000(2):12-14．

［3］Crosbie．R．L．Base isolation for torsion reduction in asymmetric structures under earthquake Loadings［J］．Earthquake Eng Struct Dyn，1977(3):97-99．

［4］魏德敏．基礎隔震高層建筑地震響應的理論分析［J］．地震工程與工程振動，2003(1):140-144．

［5］Arturo Tena-Colunga，Christian Zambrana-Rojas．Dynamic torsional amplification of base-isolated structure with an eccentric isolation system［J］．Engineering Structure，2006(28):72-83．

［6］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］．

［7］牛力軍，張文芳．某教學樓在不同隔震參數配置下的減震系數研究［J］．土木工程學報，2010，43(S1):329-333．

［8］Lee D M．Base isolation for torsion reduction in asymmetric structures under earthquake loading［J］．Earthq．Engrg．Struc．Dyn，1979，8(3):349-359．

［9］Pan TC，Kelly JM．Seismic response of torsionally coupled base isolated structures［J］．Earthq．Engrg．Struc．Dyn，1982，11(6):749-770．

［10］Satish Nagarajaiah，AndreiM Reinhorn，Michalakis CConstantinou．Torsion in Base-isolated Structures with Elastomeric Isolation Systems［J］．Journal of Structural Engineering，1993，119(10):2932-2951．

［11］M．Eisenberger，A．Rutenberg．Seismic base isolation of asymmetric shear buildings［J］．Journal of Engineering Structures，1986 (8):2-8．