基础隔震框架结构的抗震性能研究

高锡华

云南建投第二建设有限公司

基础隔震框架结构的抗震性能研究

高锡华

云南建投第二建设有限公司

基础隔震结构是在基础与上部结构之间设置柔性较好和具有适当耗能能力的隔震支座和阻尼器等隔震装置，使结构的地震反应在向上部结构的传导过程中得到控制和衰减，提高了结构的安全性、适用性和经济性，已成为结构抗震的重要发展趋势。目前我国已建成2000多栋各种基础隔离体系的建筑物，通过记录其部分建筑物在地震中结构地震反应记录和地震后破坏情况研究对比，基础隔震的钢筋混凝土框架结构具有良好的隔震减震效果。

基础隔震框架；抗震性能

地震对结构的破坏是由地面运动而引起的建筑物受迫振动所致。基础隔震的基本原理就是通过设置隔震系统，使结构在基础层与上部结构之间能够做有限的柔性滑动，从而减小结构的水平刚度、延长结构的自振周期、有效降低结构在地震中的加速度反应。地震能量大部分被隔震层所消耗，上部结构只做轻微平动。

1 基础隔震结构的原理及特性

地震对结构的破坏是由地面运动而引起的建筑物受迫振动所致。基础隔震的基本原理就是通过设置隔震系统，使结构在基础层与上部结构之间能够做有限的柔性滑动，从而减小结构的水平刚度、延长结构的自振周期、有效降低结构在地震中的加速度反应。周期延长后结构的位移必然会增大，通常在隔震层设置适当的阻尼装置，以增大结构整体阻尼并赋予结构自动复原的能力。地震能量大部分被隔震层所消耗，上部结构只做轻微平动。增大结构的阻尼，并且合理的控制结构的自振周期，能够使结构的加速度反应和结构的位移减小。基础隔震正是采用此方法来降低地震作用对主体结构的影响，衰减主体结构振动，并减小其在地震作用下的形变及相对运动。结构在地震波作用下的响应，除了与结构本身的动力特性有关外，还与地震波有关，尤其是地震波的频谱特征，然而影响地震波频谱特征的主要因素就是场地的特性。不同的场地具有不同的特征周期，当地震波传播到建筑物所在场地时，场地会对其有一定的筛选作用，与场地特征周期相近的地震波会被放大，相反，会被缩小。

2 基础隔震框架结构动力弹塑性分析

由于隔震结构运动特征的特殊性，静力分析方法不能完全评估隔震对结构的减震效果，结构及构件的承载力与变形验算主要采用动力时程分析方法。结构在小震及中震作用下，通过承载力验算可知结构处于弹性工作状态。结构在大震作用下，隔震层上、下部结构也可能会进入弹塑性工作状态，因此，设计者需要详细了解隔震结构在地震作用下的变形与受力性能，尤其是在大震状态(罕遇地震、超大地震)下结构的抗震性能有深入的认识及了解，为结构设计提供依据。

2.1 数值模型

选用一栋高层框架结构作为计算模型，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度0.15g，场地类别Ⅲ类，设计地震分组为第二组。框架共16层，总高度50m，其中底部两层高4m，其余层高均为3m。建筑平面为正方形，长30m，柱距6m。框架结构高度小于60m，在水平荷载组合时可不考虑风荷载作用，水平荷载仅考虑水平地震作用。根据建筑的使用功能及结构材料性能，楼面恒荷载取3kN/m2，楼面活荷载取2kN/m2，屋面荷载取0.5kN/m2，外部填充墙等自重按均布荷载作用于外部框架梁，线荷载取10kN/m。抗震结构最显著的变形特征为剪切型，前两个振型以平动为主，结构的水平侧移沿结构高逐渐增大，结构构件的应力随沿结构高逐渐减小；而基础隔震结构的前两阶振型分别表示两个水平方向的平动，第三阶振型以结构的扭转振动为主，整体表现为上部结构的整体平动，且应力在上部结构中的分布较为均匀。

2.2 隔震模型的层间位移反应分析

在三条地震波作用下框架结构的最大层间位移角由 0.022 降低为 0.013，说明隔震对层间位移角起到了明显的降低效果。在峰值加速度为 4m/s2的三条地震波的作用下，基础隔震模型的隔震层水平位移最大值为 174mm，满足抗震规范所规定的隔震层水平位移限值3Tr(Tr为支座橡胶层总厚度，该隔震模型所用隔震支座橡胶层总厚度最大值为 115mm)。在地震作用下，传统抗震结构的变形特征为明显的剪切型，而隔震结构基本为整体平动型，变形主要集中在隔震层。

2.3 层间隔震结构基本周期对比

结构在地震作用下的响应与结构自振周期有很大关联，层间隔震结构中隔震层的设置使得结构周期延长的越多，则说明隔震效果越显著。为研究隔震层位于楼层不同位置时结构的抗震性能，在分析时分别考虑了不设置隔震层、设置基础隔震层、隔震层设置于 1 ～15 层时等多种方案，进行模态分析，得到多种方案下结构的周期变化情况，为节约篇幅且不失规律性，此处仅列举部分周期数据见表1。

表1 结构基本周期对比(s)

由表1可以看出：(1)加入隔震支座后，结构基本周期增加，说明隔震层的设置可延长周期；(2)考虑结构的低阶振型，当隔震层所在高度不断增大时，基本周期呈减小的趋势；当隔震层位于基底位置时，结构周期为非隔震结构的两倍左右，作用效果明显；但当隔震层位于结构顶部时，其周期与非隔震结构几乎相同，说明隔震层的设置几乎不起作用。

在采用隔震技术后，由于结构的变形主要集中在隔震层，因此结构的非线性耗能主要集中在隔震层的隔震支座滞回耗能上。这有利于避免和减小上部结构的损伤。同时通过隔震层可以隔离掉大量的地震输入能量。

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