采用隔震技术高层建筑弹塑性分析*

张丽娟， 白 良

(1.内蒙古工业大学 建筑学院，内蒙古 呼和浩特 010000;2. 呼和浩特职业学院,内蒙古 呼和浩特 010000；3.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500)

采用隔震技术高层建筑弹塑性分析*

张丽娟1,2， 白 良3*

(1.内蒙古工业大学 建筑学院，内蒙古 呼和浩特 010000;2. 呼和浩特职业学院,内蒙古 呼和浩特 010000；3.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500)

采用弹塑性时程分析方法研究某16层隔震建筑的抗震性能，结果表明，一般抗震结构主要控制层间位移，上部结构的地震加速度远大于隔震结构．普通抗震结构在8度多遇及罕遇地震作用下已经进入了塑性阶段，部分区域已经破坏，而隔震结构在8度多遇及罕遇地震作用下仍处于弹性阶段，减少了震后维修．根据加速度响应得出隔震结构是一种有效的抗震措施．

隔振结构；弹塑性分析；多遇罕遇地震

地震是一种破坏性极大的自然灾害，在地震面前,人们只能去克服其带来的灾害，而与其争斗往往会有惨痛的教训．随着城市的建设和商业的发展，城市可利用地块在急剧减少，为满足城市人口对建筑的需求，高层建筑越来越多．

地震给高层建筑带来的损害是不容忽视的．建筑隔震技术通过调整或改变结构的动力性能，以明显衰减结构的地震反应．隔震技术属于被动控制，技术上容易实现，有广阔的应用前景．

国内已经有超过500个实际工程采用了橡胶隔震支座[1～5]．本文主要针对某高层结构(采用隔震支座)进行弹塑性分析和讨论，研究隔震技术对高层建筑抗震的有效性．

1 基础隔震原理

隔震上部结构的层间位移很小，整体结构的水平位移主要由隔震支座决定．将上部结构简化为一个质点，则可以用简化为一个单自由度体系的模型进行分析，近似的用隔震装置的K和C来代替整体结构的K和C(K表示刚度，C表示阻尼)．

结合图1列出在地震作用下的结构动力微分方程式：

(1)

定义隔震结构的固有频率ωn，阻尼比ζ：

则(1)式可简化为：

(2)

利用转变函数的方法对公式(2)进行整理，可得隔震结构动力反应转换函数：

定义Ra为隔振结构衰减的效果，即隔震结构的加速度反应衰减比．除地震本身因素外，隔震支座的刚度和阻尼对地震作用下结构的响应有较大影响．

2 计算模型

本文采用如图2所示的有限元模型，该建筑为商住楼，层高3.3 m共16层，建筑总高度为52.8 m，房屋标准层平面图见图3．抗震设防烈度8度，场地类别2类．

选取普通抗震设计方案与隔震方案两种．

建筑物的水平荷载主要是风荷载和地震荷载,根据抗震规范的规定，高度小于60 m的建筑可以不考虑风荷载，本文建筑高度52.8 m，故本文不考虑风荷载的作用．设防烈度为8度，分析结构在多遇地震和罕遇地震作用下结构的时程响应．

表1 橡胶支座物理参数

3 选取地震波

合理的选取适合于该建筑物的地震波是进行结构时程分析的关键所在．本文场地类别为2类，选取较为典型的El-Centrol(NS，1940)波，如图4所示．

4 隔震支座特性

在普通结构底部添加隔振支座，隔振支座采用橡胶支座，上部结构不变．橡胶支座参数如表1所示．

5 结构动力特性对比

计算隔振结构房屋的自振周期和振型，如表2所示．

由表2可以看出，隔振结构自振周期远大于普通结构，结构周期增大表明结构体系变柔，地震作用下地震响应减弱．结构振型为X方向平动，Y方向平动以及扭转，结构的质心和刚心对称性较好．

表2 自振周期

6 结构地震响应

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[6]对结构进行加载，时程分析所用地震加速度最大值如表3所示．

表3 地震加速度时程的最大值(cm/s2)

6.1 加速度响应

选取屋顶的节点，普通结构与隔震结构在8度多遇地震及罕遇地震作用下结构顶层加速度时程曲线如图5所示．

由图5可以得到：(1)多遇地震下，隔振结构的加速度响应比普通结构峰值低，约降低79%，最大值与原有地震波峰值出现在同一位置，且曲线与波形曲线相似；(2)罕遇地震下，隔振结构加速度响应小于普通结构，降低效率与多遇地震相差不大，约为79%；(3)由于隔震支座的存在，结构的整体加速度响应有显著的改善，表明在地震作用下会减弱给人们带来的振动感，给人们的逃生创造有利条件．

6.2 位移响应

普通结构与隔震结构在8度多遇地震及罕遇地震作用下结构顶层位移时程曲线如图6所示．

由图6可以了解到：(1)无论是多遇地震还是罕遇地震，隔震结构的位移响应均大于普通结构，普通结构的位移曲线与原始波形相似，而隔震结构的波形与原有波形相差较大．在多遇地震和罕遇地震作用下隔震结构的最大位移约为普通结构最大位移的1.45倍．(2)橡胶支座的存在使结构的刚度减弱，体系变柔．

6.3 层间位移响应

8度多遇及罕遇地震作用下结构层间位移时程曲线如图7所示．

图7表明：(1) 结构层间位移曲线与原始波形曲线相似．配合位移曲线图可以了解到，虽然隔振结构位移普遍大于普通结构，但是隔振结构的层间位移却小于普通结构，这说明由于隔振支座的存在使得结构由原来的上部结构运动变为整体结构的运动，这与前面振型分析是一致的．(2) 由结构的层间位移可以计算出结构顶层的层间位移角，8度罕遇地震下层间位移角为3/3 300=1/1 100，与抗震规范规定的数值1/50相比，结构有足够的安全储备，隔振结构层间位移角1/3 300远小于1/50，表明此结构还存在优化的可能．

6.4 顶点位移-基底剪力

普通结构与隔震结构在8度多遇地震及罕遇地震作用下结构顶点位移-基底剪力时程曲线如图8所示．

由图8可以了解到：(1) 8度多遇地震和罕遇地震时普通结构已进入到塑性阶段，而在8度多遇和罕遇地震作用时，隔振结构的上部结构仍然处于绝对弹性工作状态，这不但可以确保在强烈地震作用下一些重要结构、生命线工程、及内部有重要设备的建筑物正常使用，更重要的是可以保证人们的生命安全及财产安全．(2) 隔振结构的上部在地震时处于弹性阶段，这就对上部结构的设计要求没有普通结构严格．(3) 地震后大量结构的修复工作保证人们在震后有一个可靠的居住环境，普通结构的修缮及局部处理需要耗费很长时间，而隔振结构仅需要在震后对隔振支座进行检查和必要的更换即可，可很快的恢复正常的生活和社会生产，从这一方面来说隔振结构要远好于普通结构．

7 结 论

(1) 在多遇和罕遇地震作用下，隔振结构的加速度相应都要小于普通结构，且降低效率相差不大.

(2) 隔振橡胶支座的存在减弱结构刚度，无论是在多遇还是罕遇地震下，隔振结构的位移相应均大于普通结构．由于隔振支座使得隔振结构振型为整体平动，隔振结构的层间位移要小于普通结构，且增大了结构的安全储备．

(3) 隔振结构在多遇及罕遇地震作用下处于弹性阶段，可以保证人们的生命及财产安全，给震后建筑的修缮带来了很大的便利．

[1] 岳建伟,王振锋, 黄晓亮.劲性橡胶隔震支座的力学性能试验研究[J].河南大学学报:自然科学版,2012,42(5):658-662.

[2] 陈鑫,李爱群.新型形状记忆合金隔震支座设计与分析[J].振动与冲击，2011,30(6):256-260.

[3] 黄海生,王柏生.基础隔震建筑非线性动力响应时程计算方法[J].振动与冲击,2005,24(3):50-52.

[4] 侯宝隆.日本隔震技术的新发展与控震技术的实际应用[J].工业建筑, 2000,30(11):74-78.

[5] 吴忠铁.叠层橡胶支座-RC柱串联隔振体系非线性力学研究[D].兰州:兰州理工大学,2011.

[6] 建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S].

责任编辑：龙顺潮

Elastoplastic Analysis of Tall Building Using Isolation Technology

ZHANGLi-juan1,2,BAILiang3*

(1.School of Architecture,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010000；2.Vocational College of Hohhot of Inner Mongolia,Hohhot 010000；3.School of Architecture Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500 China)

The paper studied elastic-plastic time history analysis Seismic isolation performance of a 16-story building, the results show that general seismic structure of the main control layer displacement, seismic acceleration generally much larger than the upper structure of isolated structure. Ordinary seismic structure and in the case of 8 degrees more rare earthquake has entered the plastic stage action, part of the region shall be subject to damage. The isolated structure in the case of 8 degrees and more rare earthquake either in elastic phase, reducing maintenance after the earthquake structure. Isolated structural acceleration response is significantly less than conventional construction, the use of isolation structure is an effective seismic measures.

isolation structure; elastoplastic analysis; multi encountered strong earthquake

2014-10-15

白良(1964— ),男，云南 昆明人，教授.E-mail:bailiang050608@126.com

TU234

A

1000-5900(2015)02-0069-06