不規則隔震結構研究進展及展望

馬永宏

（上海中星志成建筑設計有限公司， 上海 200092）

0 前言

隨著人類生產生活需求的擴大，以及社會生產力的提高，高層建筑、大跨建筑、體型復雜的不規則建筑和先進的隔震建筑等都不斷涌現。由于隔震建筑在地震中的良好表現，采用隔震技術設計的實際工程也逐漸增多，得到較為廣泛的發展與推廣應用，同時，建筑體型也逐漸豐富起來，水平和豎向不規則的隔震建筑開始出現。

近年，數字化、信息化技術井噴發展，人類需求更加多元，不再要求建筑是規矩的形體。一方面，數字化技術、特別是BIM三維建模的運用，智能建造的出現，以及裝配式建筑開始普及，使非線性、扭曲面等很多難以計算和分析的不規則問題都得以解決，空間也不必受形體的約束；虛擬現實技術的發展，為建筑設計提供了強大的技術支持；另一方面，新材料的出現，更加方便了各種形式的形狀和空間的建筑設計，旅游經濟的刺激和對城市標志性建筑的追求，對不規則建筑的發展也起到了巨大的促進作用[1]。

雖然隔震技術是一種發展比較成熟的被動控制技術[2]，但不規則隔震建筑的應用實例還不太多，其震動相應和有關影響因素等問題的研究時間還不長，有很多問題還未解決。在歷次地震中，與普通建筑相比，不規則建筑的震害更為嚴重[3]：質量中心和剛度中心偏離，扭轉效應強烈，容易發生脆性破壞；結構的不對稱會造成應力集中，形成薄弱層，使結構在受到較大地震力的作用并發生嚴重破壞。不規則結構的地震反應分析研究一直是結構抗震領域的重要研究內容。特別對于隔震建筑，不規則會影響結構地震響應和隔震效果，需要進行專門設計，并在結構倒塌分析中產生重要影響。

1 不規則建筑抗震性能的研究進展

1.1 不規則建筑的抗震概念設計研究

抗震概念設計一般是指在一些在計算中或在規范中難以做出具體規定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，依據結構破壞機理、地震破壞現象、試驗現象和工程經驗等總結的的基本設計思想和原則，用符合工程客觀規律和本質的方法，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施，對所設計的對象作宏觀的控制。抗震概念設計是抗震設計的重要組成部分，不僅可以保證正確的設計原則，還可以提高設計水平。《建筑抗震設計規范》中規定，應重視其平面、立面和剖面的規則性對抗震性能的研究，宜擇優選用規則的形體[4]。但不規則建筑很難滿足“簡單、均勻、對稱”的要求，必須有效地進行構思、比較與選擇最佳方案，避免后期問題。

目前，人們對具體的空間結構的研究上還存在局限性，必須加強對概念設計的理解并應用到不規則建筑結構中去。早在1997年，錢稼茹等人在文獻[5]中，就列舉了美國高烈度地震區90年代以來的一些不規則高層建筑工程實例，重點介紹了這些建筑結構的概念設計方法。2002年，沈曉峰等人[6]討論了豎向體型為梯形的建筑結構在不收進、單邊收進和對稱收進等不同體型情況下，結構的地震響應，體現了概念設計的重要性和必要性。

1.2 不規則建筑的地震響應研究

在2000年，Ghersi等人分別研究了結構參數對質量偏心體系和剛度偏心體系的地震反應的不同影響規律，并將兩種影響結果進行統一分析，總結出了具有統計意義的、較為統一的參數影響規律，但與大偏心結構體系的實際情況相差較遠[7]。影響偏心結構地震反應的因素較為復雜，某些結構參數對結構反應的影響隨偏心體系的不同而表現出不同的規律性。目前，研究成果基本是基于剛度偏心體系(SES)或質量偏心體系(MES)這兩種模型給出的。但是在實際結構設計中，設計者并不能事先知道設計結構的偏心類型，因而無法采用相應的設計依據，增加了設計過程的復雜性[8]。

近年，隨著高層建筑結構的增多，不規則建筑結構地震響應分析的重點也逐漸轉移到高層不規則建筑上來。

2014年周俊[9]等對某不規則超限高層建筑工程的抗震設計進行了研究，將基于性能的抗震設計方法應用到復雜的高層不規則建筑結構工程中，得出結構整體和局部構件的地震響應，并判別出結構在地震作用下的薄弱部位，在設計中予以加強。廣西大學的龐懷[10]等人在2017年對南寧某項目D7棟超高層超限及抗震性能設計及地震響應進行了數值模擬研究。 2018年，史沛元[11]對高層建筑結構設計的不規則性進行了研究，研究以目前我國高層建筑結構的設計發展現狀為基準，分析了建筑產業中不規則結構的種類，以及不同設計手段對結構響應的影響。

2 不規則隔震結構的研究進展

2.1 不規則結構的隔震層設計

體型復雜的不規則的建筑采用隔震設計時，可以通過隔震層支座有效布置，盡量使結構的質心和剛心重合，達到減小結構扭轉效應的目的。所以在隔震設計時應當注意隔震支座的型號選擇及布置等問題，也需注意和阻尼器等裝置的配合使用。

2013年，劉德穩和王瓊芬等人[12]，從建筑功能和減震效果兩個方面，對某L型鋼筋混凝土框架結構的三種隔震支座布置方案進行了對比和綜合評價，確定了最優的設計方案，并對隔震機構進行了抗風計算和地震作用下的非線性時程分析。分析結果表明，該L型隔震結構可以在不設抗震縫的情況下采用隔震設計，并通過數值模擬等方法，調節結構的質量中心和剛度中心盡量重合，降低結構的扭轉效應，既保持了建筑功能，由避免了扭轉的震害，保持了減震效果。

干洪和楊丹丹于2016年，對某平立面均不規則的隔震結構進行了建模分析[13]，研究發現為當隔震層全部采用LRB橡膠支座時，選用同一大小支座相比采用不同大小的支座能夠減少隔震層剛度偏心；若需采用不同大小，應將大尺寸的LRB盡量設置在拐角處；隔震層規則可以有效降低上部結構的扭轉震害。

2.2 不規則隔震結構的動力時程響應

時程分析的結果顯示，采用隔震技術后，立面、平面不規則的建筑也可達到良好的減震效果，不設縫結構還有利于提高隔震效果。

莊初立、張永山等人[14]，于2014年對高烈度區某平立面不規則框架隔震結構進行了時程分析，并與非隔震結構進行了對比，結果顯示采用隔震技術后，結構的動力特性得到明顯改善，層間位移角大大減小，小震下可降為非隔震結構的十分之一，層剪力也降低為非隔震的79%左右，上部結構可降一度處理；豎向承壓符合規范要求，情況良好，隔震支座未出現受拉情況。

2015年，時晨對某平面不規則隔震建筑進行了彈塑性時程分析[15]。研究建立某實際平面不規則隔震工程的有限元分析模型，在設置結構縫與不設置結構縫兩種情況下輸入不同方向地震波，彈塑性時程分析的結果表明：罕遇地震下平面不規則隔震結構的扭轉效應較為嚴重；相比設縫結構，該未縫結構的減震效果較為優秀，隔震層頂板開裂現象也較輕。說明在條件許可時，平面不規則隔震結構不設結構縫時有利于提高隔震效果。

2.3 不規則隔震結構的連續抗倒塌機制研究

雖然隔震結構還未出現過倒塌的先例，但不規則隔震結構的研究還有一些尚未明確的地方，若產生倒塌后果十分嚴重，研究其抗倒塌性能和可靠性等是十分必要的。

為研究立面不規則隔震結構的抗連續倒塌性能，包超和馬肖彤等人[16]建立了典型的收進式鋼筋混凝土隔震結構的有限元模型，采用備用荷載路徑法、Pushdown分析方法等，對備用荷載路徑的內力變化進行了分析，研究了剩余結構抗連續倒塌性能，結果表明：除角柱、角支座外，其他豎向構件失效后其備用荷載路徑均會經歷梁機制、機制轉換及懸鏈線機制3個階段，但隔震支座失效后其備用荷載路徑的懸鏈線機制難以充分發揮抗倒塌作用，對于結構中位置較為特殊的構件失效進行專門的分析和設計。

2017年，黃小寧等人[17]利用基于整體地震損傷模型的可靠度分析方法，對一框剪隔震體系的連續倒塌可靠度進行分析，利用隔震支座的地震損傷模型，得到了地震作用下隔震支座的失效部位；在考慮損傷結構隨機性的基礎上，利用二次四階矩法等得到損傷框剪結構發生豎向連續倒塌的概率。研究表明，運用可靠度理論對框剪隔震結構進行豎向連續倒塌可靠度分析，能夠直觀地得到地震作用下，發生損傷的框剪隔震結構發生豎向連續倒塌的概率，為后續結構設計及震后加固處理提供可靠的依據。

2.4 不規則高層隔震結構的研究

隨著社會生產力發展不規則的高層隔震結構也逐漸出現。高層建筑有其特殊之處，自振周期較長，采用隔震技術后周期延長不明顯，減震效果有限，同時支座容易受拉產生破壞，所以不規則的高層隔震結構需要進行專門研究。

黃鑫東、劉文光、何文福等人[18]，在2010年對某高寬比6.1的不規則三維隔震結構進行了建模，并選取了十條地震波，分析了地震波頻譜特性，以及隔震層的偏心率對不規則大高寬比隔震結構地震響應的影響。分析結果表明采取隔震技術后，隔震層和結構頂層的加速度、扭轉角減均有明顯減小；并且發現當隔震周期達某一范圍時，隔震層的偏心對上部結構影響開始減弱。2011年，馬永宏、劉文光等人，曾對一高寬比為5.6，扭轉效應明顯的不規則高層建筑進行了分析[19]。分析設置了不同的隔震層偏心率數值，時程分析結果表明，雖然隔震層剛度中心對上部結構質量中心的偏心率不同，但上部結構的地震響應的變化率始終控制在5%以內，所以《疊層橡膠支座隔震技術規程》規范規定的“隔震層剛度中心宜與上部結構的質量中心重合”的原則，在實際工程中可適當放寬要求。

3 小結與展望

首先，不規則結構由于質量和剛度不均勻，質量中心和剛度中心偏離，在地震作用下的扭轉效應更加明顯，采用隔震技術設計后，可以通過調節隔震層的剛度中心，降低扭轉效應，達到更好地隔震效果。但是關于隔震層具體布置規則的研究還不深入，可以繼續進行研究。

其次，時程分析表明，不規則結構采用隔震技術也可以達到良好的隔震效果，但是多層偏心結構受各因素的影響規律比較復雜，目前研究基本上是局限于特殊的多層偏心的類型，例如結構各層剛度中心和質量中心分別在同一條直線上的情況，如何將現有的研究成果應用到多層結構的設計中去是亟待解決的問題[20]。

再次，雖然隔震結構沒有倒塌先例，但是面對未知的特大地震或者恐怖襲擊等人為破壞，研究其倒塌控制策略還是重要且必要的。對不規則的隔震結構，轉角處的隔震支座也容易受到破壞推出工作，必須增加一定的控制裝置或者構造措施，保證隔震層的有效工作。

最后，不規則高層建筑采用隔震技術時，有其自身的特點，其結構動力特性、扭轉效應及各影響因素都與多層隔震建筑有一定的區別，可以結合更多工程實例，進行專門研究。