隔震框架结构的研究现状与发展

王小莉，方群莉

（黄山学院 建筑工程学院，安徽 黄山 245041）

隔震框架结构的研究现状与发展

王小莉，方群莉

（黄山学院 建筑工程学院，安徽 黄山 245041）

介绍了隔震框架结构的原理，分类、归纳和总结国内外学者采用理论分析、试验研究和数值模拟等方法，对隔震框架结构的地震反应、可靠度和经济性方面的研究成果，并对隔震框架结构抗震性能研究的发展方向做出展望。

隔震；框架结构；地震反应；可靠度；经济性

1引　言

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。

现对国内外关于隔震框架结构的相关研究成果进行分类、归纳和总结，介绍了基础隔震框架结构的地震反应、可靠度和经济性的研究成果，并对隔震框架结构未来的研究做出展望。

2　隔震框架结构的地震反应研究

2.1橡胶隔震框架结构地震反应研究

Jangd R S［1］研究了上部结构的偏心对橡胶支座隔震结构动力响应的影响，利用Lyapunov方程得到结构的随机响应，提出随着结构自由度数目增多，计算的准确率会快速下降。

于永波，等［2］采用非线性时程分析法探讨填充墙对普通框架与设置橡胶支座的隔震框架的地震反应的作用。结果表明对普通框架结构，考虑填充墙影响时，从底层向上层加速度反应增大；隔震框架结构，从底层向上层加速度反应降低。

熊世树［3］采用静力和动力试验研究铅芯橡胶碟簧三维隔震支座框架结构和常规框架结构，并对其进行非线性空间时程分析。结构图1显示隔震结构滞回曲线比较丰满。楼层的地震反应较普通抗震框架结构降低50%以上，水平双向地震输入和结构偏心对隔震层的水平位移影响比较显著。

图1　铅芯橡胶芯橡胶碟黄三维隔震支座典型滞回曲线

麦庆元，等［4］对MR智能叠层橡胶基础隔震框架结构进行地震作用下的时程反应分析，结果表明MR智能基础隔震系统既能减小上部结构的地震反应，而且能防止基础隔震系统产生过大变形而失效。

龚洪兵［5］采用有限元软件对普通抗震框架结构、叠层橡胶垫基础隔震框架结构以及悬挂基础隔震框架结构进行非线性时程对比分析。研究结果表明两种基础隔震结构的隔震效果相同，都能大幅度降低上部结构的层间位移、速度、加速度，隔震作用良好。

李林［6］通过对一四层无填充墙并设置橡胶隔震支座的基础隔震框架结构进行环境激励下的动力测试与有限元分析结果对比。结果显示随机子空间方法、STD法和RFP法都具有较精确的识别功能；在环境激励下隔震层的水平等效刚度要远大于多遇地震设计情况下的数值。

陈晓城［7］提出一种有铅芯橡胶隔震垫、螺旋一碟形弹簧和粘滞阻尼器等组成的新型三维隔震支座。通过对新型隔震支座的框架结构和普通框架结构进行在水平和竖向地震反应分析，结果显示装有新型隔震支座的结构，能够延长结构的周期多达284%，使结构避开地震的卓越周期，降低上部结构的地震反应，隔震结构的主振型表现平动，而且主要变形集中在隔震层。并对该隔震支座的参数及地震强度等因素对隔震效果的影响进行研究。

杨一振［8］采用SAP2000对常规框架结构和设置叠层橡胶支座的隔震框架结构进行7度罕遇地震响应分析。结果表明基础隔震结构的自振周期较普通结构有明显的延长，避开了场地的卓越周期；基础隔震结构的各楼层加速度和剪力明显小于常规结构；且提出基础隔震结构抗倾覆措施，并推导出隔震结构的高宽比限值。

路端［9］采取PKPM2010及SAP2000对铅芯橡胶隔震支座和常规框架结构进行静力和动力分析；运用构件拆除法，探讨隔震框架结构和常规框架结构的抗连续性倒塌的机理和规律。

任小朋，等［10］通过采用有限元软件分析常规框架结构、叠层橡胶支座的基础隔震框架结构和铅芯橡胶支座的基础隔震框架结构的地震反应研究。3种结构的抗震性能比较为：叠层橡胶支座的框架结构＞铅芯橡胶支座的框架结构＞普通抗震结构。

蔡勇，等［11］采用ANSYS对夹层橡胶垫基础隔震与普通框架结构进行了地震反应时程分析。研究表明：基础隔震结构的各楼层最大绝对加速度明显减小，基底剪力、上部结构的层间剪力降低，结构地震反应明显降低。

任毅［12］采用非线性动力时程分析对普通框架与设置铅芯橡胶支座的基础隔震框架在近场和远场8度（0.3g）地震作用下反应进行研究。结果（图2）表明，基础隔震结构在近场地震动作用下，上部结构的响应反而比非隔震结构更大。在远场和近场地震作用下，基础隔震结构的上部结构会在峰值地面加速度较小时便进入非线性状态。且提出基础隔震结构隔震前基本周期不宜过长，且设计烈度不宜降低太多，才能保证在近场及远场地震下都能取得良好的隔震效果。

图2　8层隔震框架结构各层最大层间

2.2滑移隔震框架结构的地震反应研究

Jzngid R.S.［13］通过试验研究提出当发生一定强度的地震时，滑移隔震结构的振动和变形均可以控制在较轻微的水平范围内，滑移系统可加强结构的安全可靠性。

蔡康峰［14］利用SAP2000对滑移隔震框架与普通框架进行分析。结果表明隔震框架的加速度、位移响应与层间剪力比普通隔震框架小，结构抗震性能较好。并给出一种罕遇地震下隔震结构抗滑移倾覆的构造措施。

曹晓辉［15］通过试验和SAP2000研究分离式摩擦滑移隔震框架和常规框架在地震下的性能。研究表明（图3）隔震层上部结构的层间剪力和位移比常规结构较小，隔震性能好；同时研究隔震装置的部分参数对抗震性能的影响。

图3　地震作用下隔震框架和抗震框架

陈翠翠［16］采用SAP2000分析隔震和常规单向质量偏小框架结构，提出摩擦摆滑移框架比普通框架的抗地震扭转效应优良的多。

何志坚［17］应用有限元软件分析两种框架结构，即常规结构和设置摩擦摆基础滑移装置结构地震作用下的反应。结果表明：该隔震系统，可降低地震作用下结构的自振周期、加速度、层间位移和层间剪力。

杨俊飞［18］采用动力时程分析非对称框架的抗震性能，提出采用摩擦摆隔震结构的地震反应均较普通抗震结构大程度降低。

杨海旭，等［19］采用有限元软件对摩擦摆隔震框架结构在隔震前后结构的动力反应进行分析。结果表明：该隔震装置具有良好的复位功能和振动稳定性，使上部结构整体平动，大幅度降低上部结构的地震反应。

熊仲明，等［20］运用SAP2000对带有限位装置的基础滑隔震框架结构在不同工况作用下的试推与复位方案进行分析。通过分析结果提出能让上部结构附加内力和变形最小的试推方案，及局部荷载作用与整体荷载作用下结构的动力响应的对比关系。

王秀丽，等［21］利用ANSYS对6层和10层普通抗震框架结构和带抗拔型三重摩擦摆隔震支座的基础隔震框架结构进行地震响应分析。结构表明设隔震结构表现出了良好的抗震性能；（图4）随着层数的增加，结构的动能比系数衰减减慢，多层数的隔震结构的能量衰减不如低层数的隔震结构迅速。

图4　不同层数框架隔振结构的动能比系数

2.3复合隔震框架结构的地震反应研究

辛晓鹏［22］采用振动台试验和SAP2000研究分析弹性滑板复合隔震框架抗震性能。提出摩擦承压比、地震烈度和地震波对其结构性能的影响。

邱林波［23］提出一种由碟形弹簧竖向减震装置和叠层橡胶垫或铅芯橡胶垫串联组成的水平-竖向复合隔震装置。通过对复合隔震框架结构的隔震前后的地震反应进行非线性时程分析。结果表明复合隔震结构的自振周期延长了214%；复合隔震后结构的各层剪力和各层轴力分别比相应的非隔震结构减少40%左右和42%以上，在三维地震作用下复合隔震结构层间位移比隔震前降低50%以上，复合隔震结构在地震下的水平和竖向振动基本呈整体平动。

刘海卿，等［24］采用数值模拟分析SMA绞线-叠层橡胶复合支座框架结构。结果表明顶点位移减少20.8%，加速度减少10.6%，有效地减小结构的地震反应。

张佳慧［25］应用试验和数值模拟方法研究选用恰当含量NI、TI配比的SMA复合隔震框架分析提出其抗震性能优良。

马裕超［26］对复合隔震结构钢框架进行了地震模拟振动台试验和SAP2000有限元模拟分析。研究影响结构高宽比限值的因素和简化的计算公式。

裴俊杰［27］采用SAP2000对传统抗震框架结构、纯橡胶隔震框架结构及复合隔震框架结构进行时程分析，并与结果（图5）表明复合隔震结构与橡胶隔震结构层间位移在相同地震波作用下基本相同，橡胶隔震结构的加速度峰值最小；复合隔震结构较为明显的降低了隔震层和上部结构的地震反应，具有良好的抗震、减震效果。

图5　8度罕遇地震作用下结构层间

姚菲［28］提出了新型-钢筋-沥青复合隔震层，通过不同工况下的振动台试验和有限元软件MSC. MARC6，对其进行试验和理论分析研究。结果表明：（图6）隔震结构的加速度幅值比均小于非隔震结构的加速度幅值比，能减小上部结构的加速度响应；能够大幅衰减传递至上部结构的地震动；在地震中相对位移较小；在大震下的稳定性和安全储备较高，在远超过设计烈度的地震激励下仍能保持良好的隔震性能并不致倒塌。

图6　隔震框架与非隔震框架

杨海旭［29］采用ABAQUS分析NES-复合摩擦摆隔震框架结构在EL-Centro波、Accel人工波、Taft波作用下隔震前后结构的动力反应。结果表明具有NES的复合摩擦摆隔震支座，使结构产生整体平移，减小了结构的层间位移角，增大结构自振周期，远离了一般场地的卓越周期，具有良好的抗震效应。

3　隔震框架结构的可靠度研究

许宏洲［30］研究隔震框架的承载力时程、抗倾覆时程和使用期限内的可靠度，并分析结构参数对可靠度变化的影响。

张颖，等［31］以工程实例为研究对象，分析了隔震层参数对中间层隔震结构的体系可靠度的影响，结果表明采用中间层隔震技术后，隔震层上部结构的地震力水平较原结构降低了一度，且下部结构的动力可靠度也较不隔震时有所提高，合理的隔震层刚度和适当的隔震层阻尼可以明显降低中间层隔震结构在大震下整体倒塌的概率。

孙臻，等［32］基于首次穿越准则，研究非平稳随机地震激励下各楼层与结构整体的可靠度。并运用该理论分析某高层基础隔震结构在8度与9度罕遇地震作用下的随机地震响应，得到隔震后上部结构各楼层层间位移方差较非隔震结构大幅减小。

孙俊，等［33］在胡幸贤地震动模型激励下，采用变形失效准则，推导了基础隔震结构随机地震响应的统计矩解析触和上部结构和隔震层的功能状态极限函数。且采用首次超越破坏模型，Possion分布假设和串联系统可靠度模型，提出了基础隔震体系杭震可靠度的简化分析方法。

曾志华［34］采用极限状态设计法和MATLAB软件分析研究隔震框架结构可靠性。提出隔震装置是提高结构可靠度的关键。

4　隔震框架结构经济性研究

党育，等［35］对隔震结构和常规结构的直接建设费用和震后损失及震后维修费用进行经济性对比分析。结果表明一般建造在抗震设防高烈度区的丙类钢筋混凝土框架和框剪结构，隔震结构的直接建设费用降低1%-5%，震后损失及震后维修费用可减少8%-35%。

熊仲明，等［36］以工程实例为研究对象，定量分析了隔震结构和非隔震结构，提出隔震技术具有较高的安全性和较好的经济效益。

缪驰，等［37］通过对比框架一剪力墙结构、小柱网框架结构及隔震框架结构进行地震作用下的动力反应分析的结构与工程经济数据结果表明隔震框架结构最大弹性层间位移角、各楼层加速度和最大弹塑性层间位移角均小于未隔震结构，隔震技术可显著改善结构的杭震性能；采用合理的隔震方案，可明显降低直接建设费用和震后修复费用。

粟增欣，等［38］通过对隔震框架结构地震前后的造价对比。结构表明隔震结构的震后损失及维修费可降低8%-35%；结构的高宽比或高度对结构的单位面积的直接建设费用的影响最大；随着结构高度和层数的增加，直接建设费用较低，具有较好的经济效果；对于长宽比和抗震设防烈度对直接建设费用的差值的影响较小。

杜永峰［39］利用“5·12”汶川地震后工程震害调查统计结果，提出评估同一地区不同类型结构的抗震投入产出效益的新指标-结构价值损失比率。并利用结构价值损失比率，研究隔震结构的减灾效益。

5　研究展望

1.通过更深入和全面的理论和试验分析隔震框架结构的竖向地震反应。

2.应用不同的地震反应分析方法和设计方法进行深一步研究。

3.研发新型复合隔震体系应用到不规则框架结构中，及分析扭转时对结构的影响。

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责任编辑：胡德明

The Current Research Status and Development of Frame Structures of Seismic Isolation

Wang Xiaoli，Fang Qunli
（School of Architectural Engineering，Huangshan University，Huangshan 245041，China）

This paper introduces the principle of vibration isolation frame structures，and discusses，through classification，induction and summarization，the research achievements made by scholars at home and abroad in the perspectives of the seismic response，reliability and economical efficiency of isolation framework structures using theoretical analysis，experiment research and numerical simulation.Finally，this paper looks into the development trend ofresearch into the anti-seismic property of vibration isolation frame structures.

seismic isolation；frame structure；seismic response；reliability；economy

TU352.1

A

1672-447X（2016）03-0061-006

2016-03-14

王小莉（1984），山东菏泽人，硕士，黄山学院建筑工程学院助教，研究方向为结构工程；方群莉（1985），安徽歙县人，硕士，黄山学院建筑工程学院助教，研究方向为城乡规划设计。