基礎隔震結構扭轉振動分析研究進展

摘 要：文章概述了在地震作用下隔震結構產(chǎn)生扭轉振動的主要影響原因，對近年來國內(nèi)外學者的研究成果進行了歸納總結，并對隔震結構扭轉振動分析研究提出了幾點建議。

關鍵詞：基礎隔震；扭轉振動分析；研究進展

中圖分類號：TU352 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0001-02

地震是一種突發(fā)性的、毀滅性的自然災害。地震發(fā)生時，地面振動會引起結構的地震反應，如何控制結構體系的地震反應，并消除結構體系“放大器”的作用，是工程設計人員面臨的一大挑戰(zhàn)。目前發(fā)展較為成熟且應用于實際工程中的技術多是基礎隔震，它是通過在建筑物基礎與上部結構之間設置某種隔震裝置，隔離地震能量向上部結構的傳遞，延長建筑物的振動周期，從而降低上部結構的地震反應。在分析研究基礎隔震系統(tǒng)時，由于自身研究條件限制，常需要采用簡化的模型和假定，忽略掉了扭轉等影響結構控制實際效果的因素。通過對近年來眾多大地震災害的調(diào)查和試驗、理論分析發(fā)現(xiàn)，在地震作用下建筑物不僅產(chǎn)生平動，還有扭轉振動。如在1995年的阪神大地震的災害分析報告中顯示，鋼筋混凝土房屋嚴重破壞甚至倒塌的大部分原因是結構產(chǎn)生了扭轉振動。隨著城市建設的多元化發(fā)展和隔震技術的推廣應用，異型非對稱結構的隔震建筑也在增多，這些新建的隔震建筑能否經(jīng)受住強震的考驗，還是個未知數(shù)，故而對不同建筑風格的隔震建筑進行全面系統(tǒng)的研究是十分必要的，進而才能保證隔震建筑的安全性和耐久性。

1 產(chǎn)生扭轉振動的主要因素

隔震結構的設計原則是上部結構整體的重心位置與隔震層的剛心一致，但是由于隔震裝置剛度的偏差、阻尼器屈服力的偏差都會產(chǎn)生偏心，有可能發(fā)生扭轉振動。引起隔震結構產(chǎn)生地震扭轉振動的原因是多方面的，一般有以下幾個主要原因：①上部結構的偏心。建筑物的重量、荷載分布的偏差、構件的剛度以及強度的偏差等都會引起上部結構的偏心。②隔震層的偏心。隔震裝置整體剛心與上部結構的整體重心若不在同一軸線上就會引起隔震層的偏心。在偏心距和偏心率相同的情況下，隔震層平面形狀、隔震裝置的布置位置以及非線性特性引起的扭轉振動的影響程度也是不一樣的。在高壓應力下，小型疊層橡膠支座的剛度會減小，特別其第二形狀系數(shù)較小時；地震時滑板支座的摩擦力隨軸力的變化而變化。不僅如此，上部結構荷載的變化以及隔震裝置各元件制作上的偏差等等，也有可能引起結構的扭轉振動。③下部結構的偏心。隔震層下部的地下層或由基礎構成的下部結構的重量、剛心的偏心都會引起下部結構的偏心。為了能夠使隔震裝置充分發(fā)揮其隔震性能，在進行下部結構設計的時候，都會設計的非常牢固，因此可認為其對結構的扭轉振動的影響較小。④地震動轉動分量。由于隔震結構基礎面積相當大時，而地震波在通過地面時情況又極其復雜，地面上每一部分在同一時刻產(chǎn)生的位移也是不同的，而這種不均勻性也會引起扭轉振動。地震波表面成分、踢波的斜向輸入或周圍地基的不規(guī)則均會引起相位差輸入的地震動的不均勻性。若是上部結構、隔震裝置以及地基在水平面內(nèi)的總剛度低于隔震結構基礎的剛度時，基礎的扭轉振動就會產(chǎn)生，從而導致扭轉振動輸入到隔震結構。

2 扭轉振動的研究概況

現(xiàn)階段，隨著基礎隔震技術理論研究已慢慢趨于成熟，隔震技術在工程實際中也得到了推廣應用，隔震結構在地震作用下扭轉振動反應及其控制問題日益成為關注的焦點和研究的熱點，國內(nèi)外的研究學者也開始逐步對基礎隔震結構的扭轉振動反應進行研究。

美國學者Lee通過對在地震作用下單層基礎隔震結構的上部結構周期以及偏心距等對結構的扭轉反應分析，指出影響結構扭轉的主要因素是隔震層剛心的位置，而且就算上部結構的偏心很大，只要隔震層偏心程度很小，結構中產(chǎn)生的扭轉振動很小，甚至可以忽略不計。

萊斯大學教授S.Nagarajaiah等對在雙向地震作用下基礎隔震結構進行研究分析，討論了上部結構剛度及偏心距、平扭振動頻率比、隔震層的偏心距等在雙向地震作用下對結構平扭耦聯(lián)反應的影響。研究指出，雖然基礎隔震技術降低了上部結構的加速度、位移反應，但是由于隔震層及上部結構的偏心距的存在，使得結構的地震扭轉振動提高了，且增加結構的周期會增加結構偏心的影響，在工程設計和研究中應給予重視。

印度學者R.S.Jangid等基于隔震層偏心很小的情況，針對考慮結構中雙向摩擦力之間的耦合和不耦合時，對比研究了結構在雙向隨機地震動作用下的扭轉振動，歸納分析了上部結構偏心、隔震支座的屈服強度以及摩擦系數(shù)等對基礎隔震結構隔震效果的影響，非對稱隔震結構的隔震效果在結構存在平扭耦聯(lián)特征時比對稱結構的小，不宜忽略扭轉振動效應，否則會高估隔震效果。而且在分析偏心結構扭轉振動反應時，最好采用空間分析模型。

Samali等通過對五層鋼框架施加配重而成的隔震結構而成偏心隔震結構進行了振動臺試驗，研究表明：隔震系統(tǒng)不僅能夠減小結構的地震反應，還減小了結構的扭轉振動，但是扭轉振動仍不能被忽略，仍是基礎隔震偏心結構的一個重要特征。

Shakib等分析研究了在豎向地震作用下，單層摩擦隔震支座偏心結構的地震反應，發(fā)現(xiàn)豎向地震動對平動-扭轉耦聯(lián)摩擦滑移隔震的影響比較大。

Tena-Colunga等以上部結構存在偏心的基礎隔震結構為模型，進行地震反應分析，并且對不同參數(shù)對隔震結構扭轉效應的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)對扭轉反應影響較大的主要參數(shù)是上部結構的偏心距，而且在隔振周期和上部結構周期比增大時扭轉放大系數(shù)會增大，而隔震層的偏心率是隔震層峰值位移反應放大值增加的主要因素。

江宜城，唐家祥等分別對在地震作用下偏心單層以及多層基礎隔震框架結構進行了地震扭轉反應分析，建立了框架隔震結構在地震作用下的扭轉反應的運動方程，計算了結構模型不同偏心率情況下的地震反應，并討論了隔震層水平剛度、扭轉剛度與結構固有周期的關系。研究指出，對存在扭轉變形的基礎隔震結構來說，上部結構的偏心率和隔震層剛度的偏心會影響結構的扭轉變形，而減小隔震層偏心，可以減小結構的扭轉變形比；當采用具有等價雙線性恢復力特性的隔震系統(tǒng)時，可減小結構模型的扭轉角。

吳香香，李宏男在不同地震動作用下，對基礎隔震偏心結構的地震反應進行了深入研究，不僅研究了上部結構偏心的影響，重點探討了隔震層偏心以及不同場地條件對結構扭轉效應的影響，還提出了在地震作用下結構扭轉的簡化計算公式。研究表明：隔震層轉側頻率比對反應影響很小，而隔震層與上部結構偏心距、上部結構轉側頻率比是上部結構扭轉加速度的主要影響因素。隔震層與上部結構偏心距對隔震結構扭轉效應的影響顯著；在一定范圍內(nèi)增大上部結構的轉側頻率比時，會減小隔震層與上部結構的扭轉反應。

王建強，姚謙峰等研究了在水平雙向地震作用下，采用鉛芯橡膠支座的基礎隔震偏心結構的平扭耦聯(lián)地震反應，并分別研究了上部結構偏心距、扭轉與平動周期比和隔震層偏心距對結構地震反應的影響，指出若是在隔震層無偏心的情況下，結構的扭轉反應與上部結構的偏心距和周期比有關，減小上部結構的扭轉與平動周期比和上部結構的偏心距和周期比，可以有效減小結構的平扭耦聯(lián)地震反應；若是隔震結構上部結構有偏心，隔震層偏心距對結構的扭轉反應影響顯著；而且當隔震層剛度中心與結構質(zhì)量中心重合時，對結構地震反應的控制效果并不一定最佳。

袁兵，黃炎生等采用隔震結構的基本假定，建立了地震作用下高層框架剪力墻基礎隔震結構的平移-扭轉耦聯(lián)振動模型和運動方程，對單軸偏心基礎隔震結構的地震扭轉反應進行了分析，并研究了隔震結構在不同偏心率下的地震反應，通過隔震層的合理布置，使隔震層與上部結構的偏心達到某一臨界關系時，隔震結構的扭轉效應才能最小，隔震效果最好。

黨育等基于串聯(lián)鋼片模型，分別對單層和多層偏心隔震結構進行理論推導和數(shù)值分析，研究了上部結構的質(zhì)量偏心、上部結構偏心率、隔震層偏心率和隔震層的水平剛度對扭轉效應的影響。結果發(fā)現(xiàn)，隔震層剛度、質(zhì)量偏心和隔震層偏心率的增大均會使結構扭轉反應增加，且以隔震層剛度為主；在不同的情況下，可以以層內(nèi)力比或扭矩比來作為減震效果的依據(jù)，且層內(nèi)力比歲隨上部結構的偏心率增大而增大，減震效果變差。

3 結 語

綜上所述，隨著隔震技術的應用和推廣，國內(nèi)外對隔震結構在地震作用下產(chǎn)生扭轉振動反應的研究也日益增多，為使得隔震技術能夠在偏心結構扭轉方面得到廣泛應用，還需要對扭轉隔震作進一步的研究：理論上需要進一步研究分析研究基礎隔震結構在扭轉振動下的反應和破壞機理；考慮在多維地震動分量的耦合輸入下隔震結構的扭轉振動反應，進行振動臺試驗；還需要考慮雙軸偏心的情況；開發(fā)針對不同偏心結構類型的新型控制裝置，并進行性能研究等等。

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