建筑结构隔震技术分析

建筑结构隔震技术分析

成佩玲

新疆大学建筑设计研究院新疆830000

摘要：本文采用ETABS对非隔震结构和隔震结构在高设防烈度地震作用下进行反应谱分析和时程分析，计算分析了设防地震作用下和罕遇地震作用下结构的地震响应。同时，通过实际工程算例，对所提出的结论进行了验证。

关键词：隔震设计；时程分析；地震响应

引言

随着隔震技术以及隔震支座生产技术的推广和发展，隔震技术已经被广泛应用于建筑设计当中，使结构满足抗震性能化设计目标，确保结构安全可靠[1]。隔震结构设计一般采用分部设计方法。即将整个隔震结构分为上部结构、隔震层和下部结构及基础，分别进行设计。

1工程算例

1.1工程概况

本工程主要设计依据：①抗震设防烈度8度，设计基本加速度峰值为0.3g；②设计地震分组第三组，Ⅱ类场地无液化，场地特征周期0.45s；③基本风压按50年一遇采用，取0.6KN/m2，地面粗糙度类别为B类。

1.2计算模型的建立

采用ETABS建立计算模型，如图1-1。为验证模型准确性，对比ETABS和YJK非隔震模型的质量、周期、地震层剪力（本地区设防烈度地震）计算结果进行对比，均在5%以内。可验证ETABS模型用于本工程隔震分析是准确的，能较为真实的反应结构基本特性。

2结构动力分析

2.1地震波的选取

从地震动三要素（频谱特性、有效峰值和持续时间）出发，根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）第5.1.2条关于时程分析的规定，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不小于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，其加速度时程的最大值按规范表5.1.2-2采用[2]。本工程选取了2条人工模拟加速度时程和5条天然地震记录时程。选用适用于本工程的5组实际强震记录分别简写为TH3、N175、MA236、IM161和N1816，和2组人工波分别简写为REN1和REN2进行结构地震反应分析。图2-1列举了N1816时程曲线波形图。

图2-1地震动加速度时程

弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于阵型反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。经对比，本工程7条地震波的平均反应谱谱与规范的反应谱曲线在统计意义上相符。非隔震与隔震模型实际地震动反应谱和规范反应谱的对比在主要周期点上满足规范要求[2]。

2.2隔震支座的布置原则

结构隔震体系由上部结构、隔震层和下部结构三部分组成，为达到预期的隔震效果，隔震层必须具备四项基本特征：

（1）具备较大的竖向承载力，安全支撑上部结构；

（2）具备可变的水平刚度，屈服前的刚度可以满足风荷载和微振动的要求：当中强震发生时，其较小的屈服后刚度使隔震体系变成柔性体系，将地面振动有效的隔离，降低上部结构的地震响应；

（3）具备水平弹性恢复力，使隔震体系在地震中具有即时复位功能；

（4）具备足够的阻尼，有较大的消能能力。

通过在隔震层合理配置铅芯橡胶支座、天然橡胶支座，可使隔震结构具备以上基本特征，并达到预期的隔震目标和抗震、抗风性能目标。对隔震结构，在设计风荷载作用下，隔震结构应不产生水平位移，即要求隔震结构所受风荷载的设计值应小于隔震结构各支座的屈服力之和[3-5]。

隔震结构的偏心率是隔震层设计中一个重要指标，《新疆维吾尔自治区建筑隔震技术应用导则》第6.2.5条规定偏心率不得大于3%。经计算，本工程隔震层总扭转刚度为26739KN*m/rad×103，回转半径为20.53m，X、Y方向偏心率计算结果为0.993%和0.009%。

3隔震效果分析

3.1设防地震作用下隔震分析

在隔震模型中，将隔震支座相关属性参数输入后，选择相应的隔震支座进行布置。隔震支座采用ETABS提供的非线性LINK单元“RubberIsolator”进行模拟，LINK单元节点连接为两点约束，梁柱采用梁单元模拟。隔震前前三阶周期分别为0.625、0.616、0.542，隔震后前三阶周期为1.995、1.994和1.677。由此可知，采用隔震技术后两方向周期明显延长，且满足相关要求。

设防地震作用下的隔震前后层剪力最大值所在层数（隔震层上一层）X方向的计算结果如下表所示。

表3-1X向楼层剪力对比（ETABS模型）

由表3-1可得隔震层以上隔震前后X方向楼层剪力比值平均值的最大值分别为0.303（隔震层和局部凸出部分不做比较内容），Y方向与其相近，剪力系数平均值的最大值为0.284。以上表面，在设防地震作用下，建筑结构隔震后层剪力明显减小，能够达到预期的隔震效果。计算出隔震后地震影响系数最大值为0.086，取0.12。即隔震后结构可按7度（0.15g）进行设计。

3.2罕遇地震作用下隔震分析

在Etabs模型中，设防地震作用下设置隔震支座类型为：RubberIsolator，罕遇地震作用下，隔震支座考虑拉压刚度不等，采用Islator1和Gap单元并联方式模拟拉压刚度非线性[6]。

本文对结构进行设防地震和罕遇地震下的层间变形验算。多遇地震作用下，X、Y方向最大层间位移角分别为1/734，1/754。通过分析，得到设防地震下和罕遇地震作用下隔震结构层间位移角，详见表3-3和表3-4。

由表3-3和表3-4可知，该工程抗震设防目标可达到《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录M性能3的水平[2]。中震轻微破坏，承载力按标准值复核，变形小于2倍弹性位移角限值；大震中等破坏，承载力达到极限值后能维持稳定，降低少于5%，有明显的塑形变形，变形约为4倍弹性位移角限值。

4结论

（1）隔震结构的自振周期比非隔震结构的自振周期延长了2~3倍，避开场地特征周期后，减小地震作用对上部结构的影响，相当于降低了结构的地震响应。

（2）本工程隔震后层剪力明显小于隔震前，隔震效果较好。设防地震及罕遇地震作用下的位移角也得到了有效控制，满足规范要求。采用隔震技术后，可有效减小地震响应，上部结构可降低烈度进行设计。

参考文献：

[1]杜东升，王曙光，刘伟庆.某高层结构国际公寓楼的隔震设计研究[J].特种结构，2009，26（4）：11-39

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]金光辉，张凌云.隔震设计在高层中的应用[J].建筑科学，2004，20（4）：19-21.

[4]陈波，武岳，沈世钊.风振响应中选择主导振型的主动预测法[J].土木工程学报，2008，41（5）：40-45.

[5]孙敦本，梁路.多层框架结构基础隔震地震反应分析[J].建筑结构设计，2007（2）：25-27.

[6]刘文光.橡胶隔震支座力学性能及隔震结构地震反应分析研究[D].北京：北京工业大学，2003.