基礎隔震框架結構的抗震性能研究

高錫華

云南建投第二建設有限公司

基礎隔震框架結構的抗震性能研究

高錫華

云南建投第二建設有限公司

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。

基礎隔震框架；抗震性能

地震對結構的破壞是由地面運動而引起的建筑物受迫振動所致。基礎隔震的基本原理就是通過設置隔震系統，使結構在基礎層與上部結構之間能夠做有限的柔性滑動，從而減小結構的水平剛度、延長結構的自振周期、有效降低結構在地震中的加速度反應。地震能量大部分被隔震層所消耗，上部結構只做輕微平動。

1 基礎隔震結構的原理及特性

地震對結構的破壞是由地面運動而引起的建筑物受迫振動所致。基礎隔震的基本原理就是通過設置隔震系統，使結構在基礎層與上部結構之間能夠做有限的柔性滑動，從而減小結構的水平剛度、延長結構的自振周期、有效降低結構在地震中的加速度反應。周期延長后結構的位移必然會增大，通常在隔震層設置適當的阻尼裝置，以增大結構整體阻尼并賦予結構自動復原的能力。地震能量大部分被隔震層所消耗，上部結構只做輕微平動。增大結構的阻尼，并且合理的控制結構的自振周期，能夠使結構的加速度反應和結構的位移減小。基礎隔震正是采用此方法來降低地震作用對主體結構的影響，衰減主體結構振動，并減小其在地震作用下的形變及相對運動。結構在地震波作用下的響應，除了與結構本身的動力特性有關外，還與地震波有關，尤其是地震波的頻譜特征，然而影響地震波頻譜特征的主要因素就是場地的特性。不同的場地具有不同的特征周期，當地震波傳播到建筑物所在場地時，場地會對其有一定的篩選作用，與場地特征周期相近的地震波會被放大，相反，會被縮小。

2 基礎隔震框架結構動力彈塑性分析

由于隔震結構運動特征的特殊性，靜力分析方法不能完全評估隔震對結構的減震效果，結構及構件的承載力與變形驗算主要采用動力時程分析方法。結構在小震及中震作用下，通過承載力驗算可知結構處于彈性工作狀態。結構在大震作用下，隔震層上、下部結構也可能會進入彈塑性工作狀態，因此，設計者需要詳細了解隔震結構在地震作用下的變形與受力性能，尤其是在大震狀態(罕遇地震、超大地震)下結構的抗震性能有深入的認識及了解，為結構設計提供依據。

2.1 數值模型

選用一棟高層框架結構作為計算模型，抗震設防烈度為7度，基本地震加速度0.15g，場地類別Ⅲ類，設計地震分組為第二組。框架共16層，總高度50m，其中底部兩層高4m，其余層高均為3m。建筑平面為正方形，長30m，柱距6m。框架結構高度小于60m，在水平荷載組合時可不考慮風荷載作用，水平荷載僅考慮水平地震作用。根據建筑的使用功能及結構材料性能，樓面恒荷載取3kN/m2，樓面活荷載取2kN/m2，屋面荷載取0.5kN/m2，外部填充墻等自重按均布荷載作用于外部框架梁，線荷載取10kN/m。抗震結構最顯著的變形特征為剪切型，前兩個振型以平動為主，結構的水平側移沿結構高逐漸增大，結構構件的應力隨沿結構高逐漸減小；而基礎隔震結構的前兩階振型分別表示兩個水平方向的平動，第三階振型以結構的扭轉振動為主，整體表現為上部結構的整體平動，且應力在上部結構中的分布較為均勻。

2.2 隔震模型的層間位移反應分析

在三條地震波作用下框架結構的最大層間位移角由 0.022 降低為 0.013，說明隔震對層間位移角起到了明顯的降低效果。在峰值加速度為 4m/s2的三條地震波的作用下，基礎隔震模型的隔震層水平位移最大值為 174mm，滿足抗震規范所規定的隔震層水平位移限值3Tr(Tr為支座橡膠層總厚度，該隔震模型所用隔震支座橡膠層總厚度最大值為 115mm)。在地震作用下，傳統抗震結構的變形特征為明顯的剪切型，而隔震結構基本為整體平動型，變形主要集中在隔震層。

2.3 層間隔震結構基本周期對比

結構在地震作用下的響應與結構自振周期有很大關聯，層間隔震結構中隔震層的設置使得結構周期延長的越多，則說明隔震效果越顯著。為研究隔震層位于樓層不同位置時結構的抗震性能，在分析時分別考慮了不設置隔震層、設置基礎隔震層、隔震層設置于 1 ～15 層時等多種方案，進行模態分析，得到多種方案下結構的周期變化情況，為節約篇幅且不失規律性，此處僅列舉部分周期數據見表1。

表1 結構基本周期對比(s)

由表1可以看出：(1)加入隔震支座后，結構基本周期增加，說明隔震層的設置可延長周期；(2)考慮結構的低階振型，當隔震層所在高度不斷增大時，基本周期呈減小的趨勢；當隔震層位于基底位置時，結構周期為非隔震結構的兩倍左右，作用效果明顯；但當隔震層位于結構頂部時，其周期與非隔震結構幾乎相同，說明隔震層的設置幾乎不起作用。

在采用隔震技術后，由于結構的變形主要集中在隔震層，因此結構的非線性耗能主要集中在隔震層的隔震支座滯回耗能上。這有利于避免和減小上部結構的損傷。同時通過隔震層可以隔離掉大量的地震輸入能量。

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