层间隔震框架结构地震反应动力分析

王姿琦

（辽宁工程技术大学 建筑工程学院，阜新 123000）

和普通的抗震结构的设计方案不同，层间隔震框架结构并不是统一的在建筑的某一个部位设置隔震层，它是根据不同建筑的自身结构的不同的特点在建筑物不同的位置设置隔震层。一般情况下隔震层设置在建筑物的楼板以及竹子之间。根据建筑物自身的特点的不同，层间隔震框架结构一般分为下面这几种形式：

1）当建筑物是上小下大的时候一般将隔震层设置在建筑物的大小发生变化的部位。

2）当建筑物的上部和下部的结构形式有所不同的时候一般在结构形式发生变化的部位设置隔震层。

3）当整个建筑物的上部和下部的大小或者是结构形式都没有发生变化的时候隔震层一般可以放在整个建筑物一层顶部，建筑物中间层的顶部或者是建筑物顶层。

通过分析这种结构将建筑物分为了3个部分，隔震层上部。隔震层以及隔震层下部。当建筑物的频率和地震频率接近的时候就会发生共振，这时候建筑物的震动幅度就会增大，建筑物也就容易损坏。当隔离层位置在建筑物的比较低的位置的时候，可以通过控制隔离层的建筑物材料来减少隔离层的频率从而减少整个建筑物的频率，使其和地震的频率相差较远，防止共振的发生。当隔离层位置较高的时候可以是隔离层的频率与整个建筑的频率比较接近，这是为了把震动幅度控制在安全的范围里面，可以采用调谐吸震的方式。

在设置隔离层的时候要同时注意减少上部和下部结构的地震反应，式建筑物更加的安全可靠。

1 层间隔震框架结构的优点及应用

1.1 层间隔震框架结构的优点

层间隔震框架结构不仅仅在地震时对建筑物有着有效的保护作用，同时在其他方面相对于普通的隔震结构来说也有着不少的有点，这使得层间隔震框架结构的发展更加迅速应用更加广泛。

1）使用范围广泛。当使用基础隔震结构的时候会有一定的限制，在这种情况下就只能使用层间隔震框架结构。同时它的使用更加灵活多变，当需要在旧的楼层上面加盖新的楼层时可以首先在上面加一个隔震层，这种做法不但简单方便没有改变原来楼层的结构，同时是建筑的隔震效果有了比较明显的加强。

2）当使用基础隔震结构的时候必须要给建筑物预留一定的控件来填充一定的材料来缓冲发生地震时的力的作用，同时为了防止地震时发生较大的位移也要预留一定的空间。这种做法不但非常的麻烦而且花费也比较大。但是层间隔震框架结构的隔离层一般设置在层面与柱子之间，即使地震时发生了位移也是发生在垂直方向上，不会对楼体的水平结构有较大的影响。一次使用层间隔震框架结构就不必设置相应的预留空间。

一般的基础隔震结构需要在顶部增设一层承载力大于一般楼板的梁板。而层间隔震框架结构则不需要这层楼板，减少了一定的费用。

1.2 层间隔震框架结构的应用

1）近海建筑如果使用普通的各镇结构的话其隔震层的橡胶隔震支座很容易因为海水的腐蚀而遭到破坏。当使用层间隔震框架结构的时候因为隔震层位于楼顶较高的位置，一次可以防止这种情况的发生。

2）当给旧的建筑物加层的时候可以在就的建筑物顶部增加隔震层。这种做法不但符合层间隔震框架结构增强了建筑物的减震效果，同时简单方便，很容易实施。

3）当对一些年代久远的文物性建筑物进行加固的时候，使用普通的隔震结构需要在建筑物内部进行修改，这种做法很容易改变文物的本身特点，因此可以使用层间隔震框架结构在建筑物的下部设置隔震层，这样不但大大减少了对建筑物的修改，也确实做到了对建筑物的加固。

4）对于一些上下不一样大或者是上下结构不同的建筑物使用普通的隔震结构的时候建筑物发生变化的楼层在地震的作用下很容易遭到破坏，这时候就可以使用层间隔震框架结构在发生变化的楼层部位设置隔震层。有效地加固了建筑，较少震时发生的损坏。

2 层间隔震框架结构的地震反应动力分析

通过ANSYS建立模型建立起普通的抗震结构以及层间隔离结构然后进行动力特性以及地震相应的分析，通过比较了解层间隔震框架结构相对于普通隔震体系的优异性。

2.1 动力方程的建立

在地震激励下，因为橡胶隔震支座的水平刚度远远小于其竖向刚度，所以在进行动力分析时，可以近似认为隔震结构只作水平动力，而忽略其竖向变形引起的摆动。在地震中，结构的地震反应宜按多质点体系进行分析。实际工程中的多层隔震结构大多属于这种体系，多质点简化模型如图1所示。

图1 多质点简化模型

以层问隔震结构的隔震层作为分界面 ，划分为2个子结构 （如图2所示）。设｛x1｝，｛x2｝分别为上下子结构各层位移，xs和xb分别为下子结构顶层位移和上子结构底部位移，对于结构1，位移矢量为X1＝［x1xs］T。

图2 层间隔震结构计算简图

刚度矩阵和质量矩阵分别为：

得出2个结构的位移矢量、整体刚度矩阵、质量矩阵后，可写出各结构的无阻尼自由振动方程：

求出ω1和ω2后得出：

2.2 建立模型

首先根据实际的框架剪力墙的特点并且进行适当的简化燃油使用ANSYS建立普通抗震结构以及层间抗震结构两种模型。使用Beam4单元模拟建筑的梁柱等结构，使用shell63模拟露面等结构。使用铅芯层叠橡胶支座材料在相应的位置实现隔震层。使用C40混凝土实现框架剪力墙，弹性模量为3.25×1010Pa，密度为2600k1g／m3，泊松比为0.20；铅芯层叠橡胶支座的剪切弹性模量为0.55×106Pa，水平动刚度为1kN／mm，等效粘滞阻尼比为0.23，戗面厚度为120mm，剪力墙厚为300mm。根据如上建立的模型创建的三维有限元模型如下图所示：

图3 三维有限元模型

2.3 数据表

利用ANSYS有限元软件并且使用Block Lanczos算法进行求解可以得到这两种模型的前15阶频率，见下表1：

表1 两种模型前15阶频率

其变化趋势如图4所示：

2.4 模态分析

通过ANSYS计算两种模型的一定阶数的频率可以发现层间结构相对于普通抗震结构其两者的周期有着比较大的变化。同时可以发现层间隔震框架结构的频率有了比较明显的减少，也就明显的减少了建筑物有基本频率，是建筑物总体的频率与建筑场地的自身频率有了比较明显的区别。最后也就是建筑物的频率与地震的频率有了比较大的差别，有效地防止了共振的发生。

图4 变化趋势

2.5 地震响应分析

对普通的抗震结构以及层间隔震框架结构同时输入地震波进行分析可以发现在发生地震时层间隔震框架结构的楼层间的位移量相对来说比较小，变形主要集中在了隔震层。隔震层有效的阻止了地震对楼层上部的影响。并且隔震层在地震的作用下可以是隔震层上部的楼层形成一个整体，相互之间几乎不发生位移。有效地减少了地震作用下各楼层之间的拉扯力。

3 结论

1）通过模态分析可以发现层间隔震框架结构相对于普通的隔震结构来说其频率有了比较明显的减少。从而减少了整个建筑物本身的频率，最终使整个建筑物本身的频率处于地震发生时的频率范围之外，防止了建筑物发生共振的情况的发生，有效地减少了地震对建筑物的损坏。

2）在发生地震时，层间隔震框架结构可以有效的减少各楼层之间的位移量，同时使地震发生时各个楼层之间相对运动的加速度有了比较明显的减小，也就是减少了各楼层在地震发生时相互之间的拉力。

3）综上所述，可以发现层间隔震框架结构具有优异的减震效果，这种结构能保证在地震的时候使隔震层吸收大部分的地震的能量同时通过隔震装置将这些能量小号出去，最终使地震时的变形主要集中在隔震层上，有效地建筑物进行了保护。

防震一直以来都是建筑物设计的重要的指标之一。目前，层间隔震框架结构的研究还不成熟。相对于日本中国的研究还只是起步阶段。安全性毋庸置疑是引导建筑物设计发展的方向的要素之一，层间隔震框架结构在将来也必定是建筑物发展的方向之一。

［1］干洪，张德玉.框架隔震结构简化设计方法研究与应用［J］.安徽工程科技学院学报：自然科学版，2009（3）.

［2］唐怀忠，盛宏玉.层间隔震结构的随机振动响应分析［J］.安徽建筑工业学院学报：自然科学版，2006（4）.

［3］李向真，欧海龙，林舒.层间隔震结构计算模型的简化分［J］.地震工程与工程振动，2002（1）.

［4］中华人民共和国建设部.GB50011—2001.建筑抗震设计规范［S］.中国建筑工业出版社，2008.

［5］白举科，陈龙珠，赵荣欣.中间层减震结构地震影响实例分析［J］.工程抗震与加固改造，2007，29（3）：54－58.

［6］樊长林，张善元，张文芳.隔震体系基于双质点模型的参数分析比较［J］.太原理工大学学报，2008，39（3）：320－323.

［7］徐庆阳，李爱群，张志强，等.某大跨网架结构屋盖隔震整体分析［J］.工程抗震与加固改造，2007，29（6）：21－24.

［8］郭小宁.高层框架 剪力墙结构层间隔震的动力时程分析［D］.合肥工业大学，2006.

［9］Xiao J，Mu Zaigen，Bu L G.et al.Study on the Performance of Compound Foundation Isolation System in Large Complex Structures［C］／／.Proceeding of Shanghai International Conference on Technology of Architecture and Structure（ICTAS2009）（Ⅰ）.2009.

［10］Shi W X，Liu K Y，Liu Y H，et al.Simulation Analysis of Control Algorithm for Smart Isolated Structure Based on Simulink S－Function［C］／／Proceedings of 2009IEEE the 16th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management（Vol.2）.2009.

［11］祁皑等.层间隔震技术评述.地震工程与工程振动［J］，2004，24（6）：114－120.

［12］日本建筑学会著，刘文光译.隔震结构设计［M］.北京：地震出版社，2006.

［13］付伟庆.智能隔震与高层隔震的理论与试验［M］.哈尔滨：黑龙江大学出版.

［14］Sung W P，Shih M H.Development of Seismic Isolation Techniques For Elevated Roof of Hi－Tech Factory Building［C］／／.Proceedings of the Third International Conference on Dynamics，Vibration and Control［C］.2010.

［15］Xiong Z G，Qin G M，Zhang Z H，et al.The Seismic Response analysis of Damaged sSlip Component of Sliding Isolated Structure［A］.2011.

［16］Qiang R，University，China.Inelastic Energy Design Response Spectrum of Parallel Base－Isolated System［C］／／.Proceedings of the 3rd International Conference on the Concrete Future.2008.