基于基础隔震结构地震反应研究分析

申磊 王健

1河南省交通科学技术研究院有限公司（450000）2河南省建筑科学研究院有限公司（450053）

基于基础隔震结构地震反应研究分析

申磊1王健2

1河南省交通科学技术研究院有限公司（450000）2河南省建筑科学研究院有限公司（450053）

通过分析抗震技术思路的转变，开展基础隔震结构地震反应研究。研究表明：隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏；基础隔震偏心结构，应计入扭转效应的影响；隔震层顶部的梁板结构，应作为其上部结构的一部分进行计算和设计。上部结构偏心距、抗扭刚度及支座摩擦系数、支座滑道半径，对摩擦摆基础隔震上部偏心结构地震反应有一定的影响。

基础隔震结构；抗震技术；偏心结构；扭转效应；地震反应

0 引言

近几十年,世界发生许多大大小小地震,特别是1976年7月28日唐山大地震；2008年5月12日四川汶川地震；2010年1月12日海地首都太子港地震等造成未设防的建筑物严重破坏倒塌，在震中地区实际地震影响烈度远高于设防烈度，致使具备一定抗震设防能力的建筑结构也遭受不同程度的破坏。建筑物是人员伤亡最直接的杀手，因此造成了重大伤亡和财产损失。震后建筑物破坏倒塌，如图1所示。

图1 震后建筑物破坏倒塌

地震一直备受专家及研究人员高度重视，通过对地震灾区建筑震害的调查研究，吸取经验教训，不断对规范标准进行更新和修订。1959年,编制《地震区建筑抗震设计规范》（草案）（未颁布）。1964年，编制《地震区建筑抗震设计规范》（草案）（未颁布），首次引入结构系数折减结构的地震荷载，以弥补弹性理论计算结果与弹塑性结构客观实际之间的差距。1974年，原国家建委批准颁布《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11-74）（试行）[1]。1978年，国家建委批准颁布《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11-78）[2]。1989年，建设部批准颁布《建筑抗震设计规范》（GBJ 11-89）[3]，1990年开始实施，并于1993年作局部修订。1996年，建设部批准颁布《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101-96）[4]。2001年，建设部和国家质检总局联合发布《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）[5],于2008年“5·12汶川地震”后作了局部修订，成为《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）（2008版本）[6]；抗震性能设计方法被明确地编入修订的《建筑抗震设计规范》，充实了中国特色的“三水准两阶段”抗震设防理念。2010年，建设部和国家质检总局联合发布《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[7]。

1 抗震思路的转变

地震对结构的作用过程实质上是一种能量传递和耗散的过程，减小或控制结构的地震反应主要是以适当的方式耗散地震输入的能量。能量分析的原理就是从结构自身的耗能能力出发，综合考虑各种与能量有关的影响因素，对结构在地震作用过程中的安全性作出评价[8]。传统抗震是消极被动地对建筑物采用加固措施，或者按照估计的地震作用大小，提供一定的抗震能力，以保其安全。地震是一种随机振动的突发性自然灾害，存在着复杂性和不确定性,要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前还做不到。在结构分析方面，未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，同时也存在着不准确性[9]。

随着科技高度的发展，许多专家学者正在研究新型抗震技术，即积极抗震方法（基础隔震、阻尼减震、吸能减震及震动控制）。这里主要论述基础隔震，它是通过隔震层的大变形来减少其上部结构的地震作用，从而减少地震破坏。隔震设计需解决的主要问题是:隔震层位置的确定，隔震垫的数量、规格和布置，隔震层在罕遇地震下的承载力和变形控制,隔震层不隔离竖向地震作用的影响，上部结构的水平向减震系数及其与隔震层的连接构造等。

2 基础隔震的研究现状

基础隔震设计是指在房屋基础与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期,减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右[7]，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施和人员的安全性，增加了震后建筑物继续使用的功能。

通过对基础隔震结构的能量反应分析，表明隔震系统吸收了大部分的能量，使上部结构得到了有效保护，并在能量输入和耗散平衡的基础上，提出了基础隔震结构的能量设计准则和方法。

隔震体系的计算简图，应增加由隔震支座及其顶部梁板组成的质点；对变形特征为剪切型的结构可采用剪切模型，如图2所示；当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心不重合时，应计入扭转效应的影响；隔震层扭转计算简图，如图3所示。隔震层顶部的梁板结构，应作为其上部结构的一部分进行计算和设计。

图2 剪切模型（结构变形特征为剪切型）

图3 隔震层扭转计算简图

基础隔震偏心结构地震反应的研究日益受到重视，Tena-Colunga等[10，11]研究了上部结构偏心和隔震系统偏心等因素对基础隔震结构中支座位移的影响。Samali等[12]和Llera等[13]分别对上部结构存在单向质量偏心的基础隔震结构进行了模拟地震振动台试验研究，表明叠层橡胶支座隔震系统和摩擦摆隔震系统虽然可以减小结构的扭转效应，但结构的扭转反应是不能被忽略的。摩擦摆支座由于其特有的圆弧滑动面，可以有效地限制隔震支座的位移，并在震后能自动复位功能，已在房屋建筑和桥梁工程中得到了应用。王建强等[14]，对上部结构存在偏心的摩擦摆基础隔震结构进行水平双向地震作用下的平-扭耦联地震反应分析,研究上部结构偏心距和抗扭刚度对摩擦摆基础隔震结构地震反应的影响。

王建强等[15，16]，对不同地震烈度作用下的摩擦摆基础隔震结构进行了地震反应分析，分析了支座摩擦系数、支座滑道半径对支座位移、楼层加速度和楼层剪力的影响。隔震支座在长期使用过程中需要检查和维护，为了确保隔震的效果，隔震支座的性能参数应严格检验及后期定期检查。

3 结论

通过对基础隔震偏心结构的研究分析，得出以下主要结论:

1）隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏。

2）基础隔震偏心结构,应计入扭转效应的影响；隔震层顶部的梁板结构，应作为其上部结构的一部分进行计算和设计。

3）摩擦摆支座由于其特有的圆弧滑动面，可以有效地限制隔震支座的位移，并在震后能自动复位功能，有待进一步的关注和研究。

4）上部结构偏心距、抗扭刚度及支座摩擦系数、支座滑道半径对摩擦摆基础隔震上部偏心结构地震反应的影响有待进一步研究。

[1]TJ 11-74,工业与民用建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1974.

[2]TJ 11-78,工业与民用建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1979.

[3]GBJ 11-89,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1989.

[4]JGJ 101-96,建筑抗震试验方法规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[5]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[6]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社(2008版),2008.

[7]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S]北京:中国建筑工业出版社,2010.

[8]王建强,王建亮.摩擦摆基础隔震结构能量反应影响因素分析[J].河南科学,2010,28(3):302～304.

[9]刘华新,孙志屏,孙荣书.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].辽宁工程技术大学学报2007,26(2):222～224.

[10]Tena Colunga A,Gómez-Soberón L.Torsional response of base-isolated structures due to asymmetries in the superstructure[J].Engineering Structures,2002,24(12):1578～1599.

[11]Tena Colunga A,Escamilla Cruzb JL.Torsional amplifications in asymmetric base-isolated structures[J].Engineering Structures,2007,29(2):237～247.

[12]Samali B,Wu YM,Li JC.Shake table tests on amass eccentric model with base isolation[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2003,32(9):1353～1372.

[13]De la Llera JC,Almazan JL.An experimental study of nominally symmetric and asymmetric structures isolated with the FPS[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2003,32(6):891～918.

[14]王建强,金建洲,丁永刚,等.摩擦摆基础隔震上部偏心结构地震反应影响因素分析[J].世界地震工程.2010,26(1): 99～104.

[15]王建强,攸青言,丁永刚,等.支座摩擦系数对摩擦摆基础隔震结构地震反应的影响[J].世界地震工程.2012,28(2): 98～102.

[16]王建强,陈磊河,攸青言,等.支座滑道半径对摩擦摆基础隔震结构地震反应的影响[J].地震工程与工程振动, 2011.34(1):132～136.