隔震结构抗震分析方法综述

2016-12-27李海超华北理工大学建筑工程学院

大陆桥视野 2016年14期

刘　畅　李海超/华北理工大学建筑工程学院

隔震结构抗震分析方法综述

刘畅李海超/华北理工大学建筑工程学院

作为突发的自然现象，地震给人们造成了不可挽回的巨大损失，文章通过介绍地震的危害，引出新技术隔震结构。指出了隔震结构的基本构成以及其对比传统的抗震结构体系的优越性，并总结了近些年在期刊、专著或者是学位论文中在隔震结构的抗震分析中使用到的几种基本方法。文章最后，辩证的指出了目前隔震结构研究还存在的问题，展望了不久的将来。

地震；隔震结构；抗震分析

一、背景

地震是一种无法预测、发生突然性极强的自然现象，地震的发生伴随着能量的释放，这种能量给人类的生命和财产安全带来了巨大的威胁，是人类面临的最惨烈的自然灾害之一。传统的抗震主要集中在保证结构本身具有足够的刚度、强度和延性，以此来达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的要求。从而达到减轻地震灾害的目的。然而，这种方法有很多不足之处，从1978年的唐山大地震以及2008年的汶川大地震来看原有的抗震模式在强震作用下表现出很多不足。随着我国经济水平的飞速发展，许许多多的建筑材料的运用以及各种各样的建筑物如雨后春笋般平地而起。怎样最大限度的保证在强震作用下结构能够安全，不致使人民生命和财产安全遭受重大损害；如何保证在地震发生时建筑物内的精密技术设备能够正常运行而不会被地震对建筑物的破坏影响所损坏，这些都是研究人员共同面临的一个现实而又重大的问题。而被我们所说的“工程结构的减震控制技术”的产生及推广应用（即隔震技术），从很大程度上满足了结构的使用性和安全性要求。从而隔振技术的研究和应用也成为一种未来结构抗震的趋势和潮流。

二、隔震的介绍和应用

隔震结构体系是指在结构物底部或某层间设置隔震装置而形成的结构体系，它包括上部结构，隔震层和下部结构三部分。隔震层可以有四个不同的布置位置，即基础隔震，首层隔震，层间隔震和顶层隔震。

隔震结构体系是区别于传统抗震结构体系的一种主动控制体系，通过设置隔震层来吸收并消耗地震时释放的能量，减小结构在地震作用下的反应以此来确保结构的安全。隔震结构体系颠覆了传统抗震结构体系的耗能原理，也就是通过隔震层的耗能装置来耗能、而不是结构和结构构件本身来吸收并消耗地震能量。这种优越的耗能性能是传统抗震结构体系所不可比拟的。经过近些年的研究，隔震技术在基础理论和工程应用方面取得了丰厚的研究成果。

我国2010年颁布的抗震设计规范提出对多层隔震结构房屋可以采用剪切型多质点计算模型计算结构的地震反应，对大高宽比的高层和超高层、塔型隔震结构体系的计算模型等都没有作说明。在一篇名为《夹层橡胶基础隔震结构动力分析》的硕士学位论文进行析基础隔震结构动力分析时，采用的是基本的多质点隔震体系模型，与之相近研究方向的关于基础隔震结构体系的分析的硕士学位论文，均采用的多质点模型；一篇《橡胶隔震支座力学性能及隔震结构地震反应分析研究》的博士学位论则研究探讨采用多质点系计算模型计算大高宽比隔震结构的地震反应；对底层柱顶隔震结构在设防烈度和超设防烈度作用下的抗震性能分析，应用有限元软件建模，进行动力弹塑性时程分析；大底盘多塔隔震结构的抗震分析方法同样也是软件建模之后进行同时考虑上部结构弹塑性与隔震支座非线性行为的抗震分析；大跨度连续钢桁梁桥的抗震性能采用通用有限元程序建立该桥空间有限元模型，采用非线性时程分析方法对未隔震及应用摩擦摆支座隔震后的桥梁结构响应进行分析；在某些情况下，隔震结构采用分离式计算方法进行结构设计，由于使用统一的减震系数，部分楼层剪力调整偏大。采用振型分解反应谱法，将隔震层和上部结构作为整体结构进行分析可有效解决这一问题。

其实总结起来看，不难发现，目前关于隔震结构的应用虽然在汶川等大型地震之后备受关注，但是由于我国在此方面发展起步较晚，面对的问题相对较少，所以并不如日本以及欧美等发达国家。对于隔震结构的抗震分析的方法虽然看起来比较少，显得单薄，但是也能比较正确的解决我国目前所面临的问题，能比较好的对需要的隔震结构进行设计和计算。

三、存在的不足

目前，隔震结构的应用范围还是很有限。根据隔震层的位置分为基础隔震，层间隔震，首层隔震和顶层隔震。根据查询的众多资料文献可以看出，有的时候如果隔震层位置在一层柱顶，也是可以归类为基础隔震，而很多学者研究方向也是放在基础的隔震研究，只有少部分研究是在层间隔震以及顶层的隔震；对于不同的行业，有比如关于大跨度连续钢桁梁桥支座隔震研究。当然，也有一些比较不一样的研究重点，比如新型钢筋层的隔震。随着现今社会越来越多的自然地震灾害，以及次生灾害，使得越来越多的学者放眼隔震系统和隔震结构的优点，这必然让我们在防震减灾方面取得长足进步。

但是，我们应该理性的认识到，基于性能的抗震设计的理论方法还处于初始阶段，还存在着各种各样的困难和问题。在总结国内外该领域研究成果的基础上，在以下几个方面的认识上还存在一定的问题：

（一）选择结构性能设防目标

传统的建筑抗震设计的设防目标大多数是通过工程技术人员根据规范当中规定的最低设防要求而确定的，没有业主和其他人员的主动参与。但是基于性能的抗震设计不仅满足建筑性能社会最低的要求而且也面向业主，并且更加的注重建筑个性的发展。因此，让业主参与的多级性能设防目标急需建立起来。

（二）描述结构抗震性能的评价指标和参数

通过单一的参数控制结构破坏和结构正常使用的性能的判，并且基于多级设防目标的性能参数评价指标也是需要通过大量的实验研究探索和工程经验的积累才能得出的结果。

（三）基于性能的抗震设计原则和效益评估

基于性能的抗震设计是一种面向未来的设计的方法，对于结构全寿命周期的投资-效益的评估也是实现结构性能设计决策的最基本原则。但是对于结构全寿命周期投资-效益评估是一个涉及人类伦理、工程技术、社会经济等诸多方面的复杂体系，目前仍是一个留待解决的难题。