隔震框架結構的研究現狀與發展

王小莉，方群莉

（黃山學院 建筑工程學院，安徽 黃山 245041）

隔震框架結構的研究現狀與發展

王小莉，方群莉

（黃山學院 建筑工程學院，安徽 黃山 245041）

介紹了隔震框架結構的原理，分類、歸納和總結國內外學者采用理論分析、試驗研究和數值模擬等方法，對隔震框架結構的地震反應、可靠度和經濟性方面的研究成果，并對隔震框架結構抗震性能研究的發展方向做出展望。

隔震；框架結構；地震反應；可靠度；經濟性

1引　言

基礎隔震結構是在基礎與上部結構之間設置柔性較好和具有適當耗能能力的隔震支座和阻尼器等隔震裝置，使結構的地震反應在向上部結構的傳導過程中得到控制和衰減，提高了結構的安全性、適用性和經濟性，已成為結構抗震的重要發展趨勢。目前我國已建成2000多棟各種基礎隔離體系的建筑物，通過記錄其部分建筑物在地震中結構地震反應記錄和地震后破壞情況研究對比，基礎隔震的鋼筋混凝土框架結構具有良好的隔震減震效果。

現對國內外關于隔震框架結構的相關研究成果進行分類、歸納和總結，介紹了基礎隔震框架結構的地震反應、可靠度和經濟性的研究成果，并對隔震框架結構未來的研究做出展望。

2　隔震框架結構的地震反應研究

2.1橡膠隔震框架結構地震反應研究

Jangd R S［1］研究了上部結構的偏心對橡膠支座隔震結構動力響應的影響，利用Lyapunov方程得到結構的隨機響應，提出隨著結構自由度數目增多，計算的準確率會快速下降。

于永波，等［2］采用非線性時程分析法探討填充墻對普通框架與設置橡膠支座的隔震框架的地震反應的作用。結果表明對普通框架結構，考慮填充墻影響時，從底層向上層加速度反應增大；隔震框架結構，從底層向上層加速度反應降低。

熊世樹［3］采用靜力和動力試驗研究鉛芯橡膠碟簧三維隔震支座框架結構和常規框架結構，并對其進行非線性空間時程分析。結構圖1顯示隔震結構滯回曲線比較豐滿。樓層的地震反應較普通抗震框架結構降低50%以上，水平雙向地震輸入和結構偏心對隔震層的水平位移影響比較顯著。

圖1　鉛芯橡膠芯橡膠碟黃三維隔震支座典型滯回曲線

麥慶元，等［4］對MR智能疊層橡膠基礎隔震框架結構進行地震作用下的時程反應分析，結果表明MR智能基礎隔震系統既能減小上部結構的地震反應，而且能防止基礎隔震系統產生過大變形而失效。

龔洪兵［5］采用有限元軟件對普通抗震框架結構、疊層橡膠墊基礎隔震框架結構以及懸掛基礎隔震框架結構進行非線性時程對比分析。研究結果表明兩種基礎隔震結構的隔震效果相同，都能大幅度降低上部結構的層間位移、速度、加速度，隔震作用良好。

李林［6］通過對一四層無填充墻并設置橡膠隔震支座的基礎隔震框架結構進行環境激勵下的動力測試與有限元分析結果對比。結果顯示隨機子空間方法、STD法和RFP法都具有較精確的識別功能；在環境激勵下隔震層的水平等效剛度要遠大于多遇地震設計情況下的數值。

陳曉城［7］提出一種有鉛芯橡膠隔震墊、螺旋一碟形彈簧和粘滯阻尼器等組成的新型三維隔震支座。通過對新型隔震支座的框架結構和普通框架結構進行在水平和豎向地震反應分析，結果顯示裝有新型隔震支座的結構，能夠延長結構的周期多達284%，使結構避開地震的卓越周期，降低上部結構的地震反應，隔震結構的主振型表現平動，而且主要變形集中在隔震層。并對該隔震支座的參數及地震強度等因素對隔震效果的影響進行研究。

楊一振［8］采用SAP2000對常規框架結構和設置疊層橡膠支座的隔震框架結構進行7度罕遇地震響應分析。結果表明基礎隔震結構的自振周期較普通結構有明顯的延長，避開了場地的卓越周期；基礎隔震結構的各樓層加速度和剪力明顯小于常規結構；且提出基礎隔震結構抗傾覆措施，并推導出隔震結構的高寬比限值。

路端［9］采取PKPM2010及SAP2000對鉛芯橡膠隔震支座和常規框架結構進行靜力和動力分析；運用構件拆除法，探討隔震框架結構和常規框架結構的抗連續性倒塌的機理和規律。

任小朋，等［10］通過采用有限元軟件分析常規框架結構、疊層橡膠支座的基礎隔震框架結構和鉛芯橡膠支座的基礎隔震框架結構的地震反應研究。3種結構的抗震性能比較為：疊層橡膠支座的框架結構＞鉛芯橡膠支座的框架結構＞普通抗震結構。

蔡勇，等［11］采用ANSYS對夾層橡膠墊基礎隔震與普通框架結構進行了地震反應時程分析。研究表明：基礎隔震結構的各樓層最大絕對加速度明顯減小，基底剪力、上部結構的層間剪力降低，結構地震反應明顯降低。

任毅［12］采用非線性動力時程分析對普通框架與設置鉛芯橡膠支座的基礎隔震框架在近場和遠場8度（0.3g）地震作用下反應進行研究。結果（圖2）表明，基礎隔震結構在近場地震動作用下，上部結構的響應反而比非隔震結構更大。在遠場和近場地震作用下，基礎隔震結構的上部結構會在峰值地面加速度較小時便進入非線性狀態。且提出基礎隔震結構隔震前基本周期不宜過長，且設計烈度不宜降低太多，才能保證在近場及遠場地震下都能取得良好的隔震效果。

圖2　8層隔震框架結構各層最大層間

2.2滑移隔震框架結構的地震反應研究

Jzngid R.S.［13］通過試驗研究提出當發生一定強度的地震時，滑移隔震結構的振動和變形均可以控制在較輕微的水平范圍內，滑移系統可加強結構的安全可靠性。

蔡康峰［14］利用SAP2000對滑移隔震框架與普通框架進行分析。結果表明隔震框架的加速度、位移響應與層間剪力比普通隔震框架小，結構抗震性能較好。并給出一種罕遇地震下隔震結構抗滑移傾覆的構造措施。

曹曉輝［15］通過試驗和SAP2000研究分離式摩擦滑移隔震框架和常規框架在地震下的性能。研究表明（圖3）隔震層上部結構的層間剪力和位移比常規結構較小，隔震性能好；同時研究隔震裝置的部分參數對抗震性能的影響。

圖3　地震作用下隔震框架和抗震框架

陳翠翠［16］采用SAP2000分析隔震和常規單向質量偏小框架結構，提出摩擦擺滑移框架比普通框架的抗地震扭轉效應優良的多。

何志堅［17］應用有限元軟件分析兩種框架結構，即常規結構和設置摩擦擺基礎滑移裝置結構地震作用下的反應。結果表明：該隔震系統，可降低地震作用下結構的自振周期、加速度、層間位移和層間剪力。

楊俊飛［18］采用動力時程分析非對稱框架的抗震性能，提出采用摩擦擺隔震結構的地震反應均較普通抗震結構大程度降低。

楊海旭，等［19］采用有限元軟件對摩擦擺隔震框架結構在隔震前后結構的動力反應進行分析。結果表明：該隔震裝置具有良好的復位功能和振動穩定性，使上部結構整體平動，大幅度降低上部結構的地震反應。

熊仲明，等［20］運用SAP2000對帶有限位裝置的基礎滑隔震框架結構在不同工況作用下的試推與復位方案進行分析。通過分析結果提出能讓上部結構附加內力和變形最小的試推方案，及局部荷載作用與整體荷載作用下結構的動力響應的對比關系。

王秀麗，等［21］利用ANSYS對6層和10層普通抗震框架結構和帶抗拔型三重摩擦擺隔震支座的基礎隔震框架結構進行地震響應分析。結構表明設隔震結構表現出了良好的抗震性能；（圖4）隨著層數的增加，結構的動能比系數衰減減慢，多層數的隔震結構的能量衰減不如低層數的隔震結構迅速。

圖4　不同層數框架隔振結構的動能比系數

2.3復合隔震框架結構的地震反應研究

辛曉鵬［22］采用振動臺試驗和SAP2000研究分析彈性滑板復合隔震框架抗震性能。提出摩擦承壓比、地震烈度和地震波對其結構性能的影響。

邱林波［23］提出一種由碟形彈簧豎向減震裝置和疊層橡膠墊或鉛芯橡膠墊串聯組成的水平-豎向復合隔震裝置。通過對復合隔震框架結構的隔震前后的地震反應進行非線性時程分析。結果表明復合隔震結構的自振周期延長了214%；復合隔震后結構的各層剪力和各層軸力分別比相應的非隔震結構減少40%左右和42%以上，在三維地震作用下復合隔震結構層間位移比隔震前降低50%以上，復合隔震結構在地震下的水平和豎向振動基本呈整體平動。

劉海卿，等［24］采用數值模擬分析SMA絞線-疊層橡膠復合支座框架結構。結果表明頂點位移減少20.8%，加速度減少10.6%，有效地減小結構的地震反應。

張佳慧［25］應用試驗和數值模擬方法研究選用恰當含量NI、TI配比的SMA復合隔震框架分析提出其抗震性能優良。

馬裕超［26］對復合隔震結構鋼框架進行了地震模擬振動臺試驗和SAP2000有限元模擬分析。研究影響結構高寬比限值的因素和簡化的計算公式。

裴俊杰［27］采用SAP2000對傳統抗震框架結構、純橡膠隔震框架結構及復合隔震框架結構進行時程分析，并與結果（圖5）表明復合隔震結構與橡膠隔震結構層間位移在相同地震波作用下基本相同，橡膠隔震結構的加速度峰值最小；復合隔震結構較為明顯的降低了隔震層和上部結構的地震反應，具有良好的抗震、減震效果。

圖5　8度罕遇地震作用下結構層間

姚菲［28］提出了新型-鋼筋-瀝青復合隔震層，通過不同工況下的振動臺試驗和有限元軟件MSC. MARC6，對其進行試驗和理論分析研究。結果表明：（圖6）隔震結構的加速度幅值比均小于非隔震結構的加速度幅值比，能減小上部結構的加速度響應；能夠大幅衰減傳遞至上部結構的地震動；在地震中相對位移較小；在大震下的穩定性和安全儲備較高，在遠超過設計烈度的地震激勵下仍能保持良好的隔震性能并不致倒塌。

圖6　隔震框架與非隔震框架

楊海旭［29］采用ABAQUS分析NES-復合摩擦擺隔震框架結構在EL-Centro波、Accel人工波、Taft波作用下隔震前后結構的動力反應。結果表明具有NES的復合摩擦擺隔震支座，使結構產生整體平移，減小了結構的層間位移角，增大結構自振周期，遠離了一般場地的卓越周期，具有良好的抗震效應。

3　隔震框架結構的可靠度研究

許宏洲［30］研究隔震框架的承載力時程、抗傾覆時程和使用期限內的可靠度，并分析結構參數對可靠度變化的影響。

張穎，等［31］以工程實例為研究對象，分析了隔震層參數對中間層隔震結構的體系可靠度的影響，結果表明采用中間層隔震技術后，隔震層上部結構的地震力水平較原結構降低了一度，且下部結構的動力可靠度也較不隔震時有所提高，合理的隔震層剛度和適當的隔震層阻尼可以明顯降低中間層隔震結構在大震下整體倒塌的概率。

孫臻，等［32］基于首次穿越準則，研究非平穩隨機地震激勵下各樓層與結構整體的可靠度。并運用該理論分析某高層基礎隔震結構在8度與9度罕遇地震作用下的隨機地震響應，得到隔震后上部結構各樓層層間位移方差較非隔震結構大幅減小。

孫俊，等［33］在胡幸賢地震動模型激勵下，采用變形失效準則，推導了基礎隔震結構隨機地震響應的統計矩解析觸和上部結構和隔震層的功能狀態極限函數。且采用首次超越破壞模型，Possion分布假設和串聯系統可靠度模型，提出了基礎隔震體系杭震可靠度的簡化分析方法。

曾志華［34］采用極限狀態設計法和MATLAB軟件分析研究隔震框架結構可靠性。提出隔震裝置是提高結構可靠度的關鍵。

4　隔震框架結構經濟性研究

黨育，等［35］對隔震結構和常規結構的直接建設費用和震后損失及震后維修費用進行經濟性對比分析。結果表明一般建造在抗震設防高烈度區的丙類鋼筋混凝土框架和框剪結構，隔震結構的直接建設費用降低1%-5%，震后損失及震后維修費用可減少8%-35%。

熊仲明，等［36］以工程實例為研究對象，定量分析了隔震結構和非隔震結構，提出隔震技術具有較高的安全性和較好的經濟效益。

繆馳，等［37］通過對比框架一剪力墻結構、小柱網框架結構及隔震框架結構進行地震作用下的動力反應分析的結構與工程經濟數據結果表明隔震框架結構最大彈性層間位移角、各樓層加速度和最大彈塑性層間位移角均小于未隔震結構，隔震技術可顯著改善結構的杭震性能；采用合理的隔震方案，可明顯降低直接建設費用和震后修復費用。

粟增欣，等［38］通過對隔震框架結構地震前后的造價對比。結構表明隔震結構的震后損失及維修費可降低8%-35%；結構的高寬比或高度對結構的單位面積的直接建設費用的影響最大；隨著結構高度和層數的增加，直接建設費用較低，具有較好的經濟效果；對于長寬比和抗震設防烈度對直接建設費用的差值的影響較小。

杜永峰［39］利用“5·12”汶川地震后工程震害調查統計結果，提出評估同一地區不同類型結構的抗震投入產出效益的新指標-結構價值損失比率。并利用結構價值損失比率，研究隔震結構的減災效益。

5　研究展望

1.通過更深入和全面的理論和試驗分析隔震框架結構的豎向地震反應。

2.應用不同的地震反應分析方法和設計方法進行深一步研究。

3.研發新型復合隔震體系應用到不規則框架結構中，及分析扭轉時對結構的影響。

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責任編輯：胡德明

The Current Research Status and Development of Frame Structures of Seismic Isolation

Wang Xiaoli，Fang Qunli
（School of Architectural Engineering，Huangshan University，Huangshan 245041，China）

This paper introduces the principle of vibration isolation frame structures，and discusses，through classification，induction and summarization，the research achievements made by scholars at home and abroad in the perspectives of the seismic response，reliability and economical efficiency of isolation framework structures using theoretical analysis，experiment research and numerical simulation.Finally，this paper looks into the development trend ofresearch into the anti-seismic property of vibration isolation frame structures.

seismic isolation；frame structure；seismic response；reliability；economy

TU352.1

A

1672-447X（2016）03-0061-006

2016-03-14

王小莉（1984），山東菏澤人，碩士，黃山學院建筑工程學院助教，研究方向為結構工程；方群莉（1985），安徽歙縣人，碩士，黃山學院建筑工程學院助教，研究方向為城鄉規劃設計。