基于基礎隔震結構地震反應研究分析

申磊 王健

1河南省交通科學技術研究院有限公司（450000）2河南省建筑科學研究院有限公司（450053）

基于基礎隔震結構地震反應研究分析

申磊1王健2

1河南省交通科學技術研究院有限公司（450000）2河南省建筑科學研究院有限公司（450053）

通過分析抗震技術思路的轉變，開展基礎隔震結構地震反應研究。研究表明：隔震一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右，從而消除或有效地減輕結構和非結構的地震損壞；基礎隔震偏心結構，應計入扭轉效應的影響；隔震層頂部的梁板結構，應作為其上部結構的一部分進行計算和設計。上部結構偏心距、抗扭剛度及支座摩擦系數、支座滑道半徑，對摩擦擺基礎隔震上部偏心結構地震反應有一定的影響。

基礎隔震結構；抗震技術；偏心結構；扭轉效應；地震反應

0 引言

近幾十年,世界發生許多大大小小地震,特別是1976年7月28日唐山大地震；2008年5月12日四川汶川地震；2010年1月12日海地首都太子港地震等造成未設防的建筑物嚴重破壞倒塌，在震中地區實際地震影響烈度遠高于設防烈度，致使具備一定抗震設防能力的建筑結構也遭受不同程度的破壞。建筑物是人員傷亡最直接的殺手，因此造成了重大傷亡和財產損失。震后建筑物破壞倒塌，如圖1所示。

圖1 震后建筑物破壞倒塌

地震一直備受專家及研究人員高度重視，通過對地震災區建筑震害的調查研究，吸取經驗教訓，不斷對規范標準進行更新和修訂。1959年,編制《地震區建筑抗震設計規范》（草案）（未頒布）。1964年，編制《地震區建筑抗震設計規范》（草案）（未頒布），首次引入結構系數折減結構的地震荷載，以彌補彈性理論計算結果與彈塑性結構客觀實際之間的差距。1974年，原國家建委批準頒布《工業與民用建筑抗震設計規范》（TJ 11-74）（試行）[1]。1978年，國家建委批準頒布《工業與民用建筑抗震設計規范》（TJ 11-78）[2]。1989年，建設部批準頒布《建筑抗震設計規范》（GBJ 11-89）[3]，1990年開始實施，并于1993年作局部修訂。1996年，建設部批準頒布《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ 101-96）[4]。2001年，建設部和國家質檢總局聯合發布《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2001）[5],于2008年“5·12汶川地震”后作了局部修訂，成為《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2001）（2008版本）[6]；抗震性能設計方法被明確地編入修訂的《建筑抗震設計規范》，充實了中國特色的“三水準兩階段”抗震設防理念。2010年，建設部和國家質檢總局聯合發布《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）[7]。

1 抗震思路的轉變

地震對結構的作用過程實質上是一種能量傳遞和耗散的過程，減小或控制結構的地震反應主要是以適當的方式耗散地震輸入的能量。能量分析的原理就是從結構自身的耗能能力出發，綜合考慮各種與能量有關的影響因素，對結構在地震作用過程中的安全性作出評價[8]。傳統抗震是消極被動地對建筑物采用加固措施，或者按照估計的地震作用大小，提供一定的抗震能力，以保其安全。地震是一種隨機振動的突發性自然災害，存在著復雜性和不確定性,要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數，目前還做不到。在結構分析方面，未能充分考慮結構的空間作用、結構材料的非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，同時也存在著不準確性[9]。

隨著科技高度的發展，許多專家學者正在研究新型抗震技術，即積極抗震方法（基礎隔震、阻尼減震、吸能減震及震動控制）。這里主要論述基礎隔震，它是通過隔震層的大變形來減少其上部結構的地震作用，從而減少地震破壞。隔震設計需解決的主要問題是:隔震層位置的確定，隔震墊的數量、規格和布置，隔震層在罕遇地震下的承載力和變形控制,隔震層不隔離豎向地震作用的影響，上部結構的水平向減震系數及其與隔震層的連接構造等。

2 基礎隔震的研究現狀

基礎隔震設計是指在房屋基礎與上部結構之間設置由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成具有整體復位功能的隔震層，以延長整個結構體系的自振周期,減少輸入上部結構的水平地震作用，達到預期防震要求。隔震一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右[7]，從而消除或有效地減輕結構和非結構的地震損壞，提高建筑物及其內部設施和人員的安全性，增加了震后建筑物繼續使用的功能。

通過對基礎隔震結構的能量反應分析，表明隔震系統吸收了大部分的能量，使上部結構得到了有效保護，并在能量輸入和耗散平衡的基礎上，提出了基礎隔震結構的能量設計準則和方法。

隔震體系的計算簡圖，應增加由隔震支座及其頂部梁板組成的質點；對變形特征為剪切型的結構可采用剪切模型，如圖2所示；當隔震層以上結構的質心與隔震層剛度中心不重合時，應計入扭轉效應的影響；隔震層扭轉計算簡圖，如圖3所示。隔震層頂部的梁板結構，應作為其上部結構的一部分進行計算和設計。

圖2 剪切模型（結構變形特征為剪切型）

圖3 隔震層扭轉計算簡圖

基礎隔震偏心結構地震反應的研究日益受到重視，Tena-Colunga等[10，11]研究了上部結構偏心和隔震系統偏心等因素對基礎隔震結構中支座位移的影響。Samali等[12]和Llera等[13]分別對上部結構存在單向質量偏心的基礎隔震結構進行了模擬地震振動臺試驗研究，表明疊層橡膠支座隔震系統和摩擦擺隔震系統雖然可以減小結構的扭轉效應，但結構的扭轉反應是不能被忽略的。摩擦擺支座由于其特有的圓弧滑動面，可以有效地限制隔震支座的位移，并在震后能自動復位功能，已在房屋建筑和橋梁工程中得到了應用。王建強等[14]，對上部結構存在偏心的摩擦擺基礎隔震結構進行水平雙向地震作用下的平-扭耦聯地震反應分析,研究上部結構偏心距和抗扭剛度對摩擦擺基礎隔震結構地震反應的影響。

王建強等[15，16]，對不同地震烈度作用下的摩擦擺基礎隔震結構進行了地震反應分析，分析了支座摩擦系數、支座滑道半徑對支座位移、樓層加速度和樓層剪力的影響。隔震支座在長期使用過程中需要檢查和維護，為了確保隔震的效果，隔震支座的性能參數應嚴格檢驗及后期定期檢查。

3 結論

通過對基礎隔震偏心結構的研究分析，得出以下主要結論:

1）隔震一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右，從而消除或有效地減輕結構和非結構的地震損壞。

2）基礎隔震偏心結構,應計入扭轉效應的影響；隔震層頂部的梁板結構，應作為其上部結構的一部分進行計算和設計。

3）摩擦擺支座由于其特有的圓弧滑動面，可以有效地限制隔震支座的位移，并在震后能自動復位功能，有待進一步的關注和研究。

4）上部結構偏心距、抗扭剛度及支座摩擦系數、支座滑道半徑對摩擦擺基礎隔震上部偏心結構地震反應的影響有待進一步研究。

[1]TJ 11-74,工業與民用建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,1974.

[2]TJ 11-78,工業與民用建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,1979.

[3]GBJ 11-89,建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,1989.

[4]JGJ 101-96,建筑抗震試驗方法規程[S].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[5]GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[6]GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社(2008版),2008.

[7]GB 50011-2010,建筑抗震設計規范[S]北京:中國建筑工業出版社,2010.

[8]王建強,王建亮.摩擦擺基礎隔震結構能量反應影響因素分析[J].河南科學,2010,28(3):302～304.

[9]劉華新,孫志屏,孫榮書.抗震概念設計在高層建筑結構設計中的應用[J].遼寧工程技術大學學報2007,26(2):222～224.

[10]Tena Colunga A,Gómez-Soberón L.Torsional response of base-isolated structures due to asymmetries in the superstructure[J].Engineering Structures,2002,24(12):1578～1599.

[11]Tena Colunga A,Escamilla Cruzb JL.Torsional amplifications in asymmetric base-isolated structures[J].Engineering Structures,2007,29(2):237～247.

[12]Samali B,Wu YM,Li JC.Shake table tests on amass eccentric model with base isolation[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2003,32(9):1353～1372.

[13]De la Llera JC,Almazan JL.An experimental study of nominally symmetric and asymmetric structures isolated with the FPS[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2003,32(6):891～918.

[14]王建強,金建洲,丁永剛,等.摩擦擺基礎隔震上部偏心結構地震反應影響因素分析[J].世界地震工程.2010,26(1): 99～104.

[15]王建強,攸青言,丁永剛,等.支座摩擦系數對摩擦擺基礎隔震結構地震反應的影響[J].世界地震工程.2012,28(2): 98～102.

[16]王建強,陳磊河,攸青言,等.支座滑道半徑對摩擦擺基礎隔震結構地震反應的影響[J].地震工程與工程振動, 2011.34(1):132～136.