基础隔震结构扭转减震评价

夏同雪 毛利军 王倩玲

(南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京 210000)

0 引言

基础隔震是目前发展比较成熟的结构被动控制的一种，它是通过在上部结构与基础之间设置一定数量的隔震器，阻尼器来隔离地震能量向上部结构的传递，减少输入到上部结构的能量，降低上部结构的地震反应，达到预期的防震要求。历次地震震害表明，扭转效应是引起建筑结构地震破坏的重要因素，许多不规则的偏心建筑物表现出了明显的扭转震害反应，基础隔震技术也被广泛的应用于减小偏心扭转结构的地震反应。江宜城、唐家祥对单层、多层框架单轴偏心结构的扭转地震反应进行了分析，结果表明采用基础隔震技术可显著减小结构的扭转反应［1，2］;Crosbie［3］最早提出可以采用基础隔震的方法来降低地震作用下由于结构偏心造成的扭转反应;魏德敏［4］采用高层建筑三维有限元分析程序ETABS，对基础隔震高层建筑结构进行了地震反应分析，并与非隔震结构进行对比，表明采用基础隔震可减小高层隔震结构的水平及扭转地震反应;Arturo Tena-Colunga，Christian Zambrana-Rojas［5］研究了在双向地震作用下，三层隔震结构的扭转反应。所研究的上部结构在未隔震的情况下，自振周期为1．5 s～3 s。隔震支座滞回特性用双线性恢复力模型来模拟。研究结果指出随着隔震层偏心的增大，隔震结构的隔震效果相应地减小。这些研究成果都说明基础隔震对控制结构的扭转起到一定的作用，但是对偏心扭转结构的减震率没有明确的规定，《建筑抗震设计规范》［6］提出了水平减震系数的概念，按减震系数进行设计，考虑地震作用下隔震结构平动的减震率。张文芳［7］针对某框架结构教学楼研究了摩擦阻尼和橡胶支座恢复力配置比R对结构减震系数的影响，研究表明采用参数R分析减震效果时，摩擦阻尼一定，而增大R结构的层间剪力和减震系数都减小，但当R值大于5时，减震系数趋于稳定值。

上述研究都没有考虑影响结构扭转的因素对结构减震率的影响，本文基于不同隔震层偏心率提出了考虑偏心结构扭转减震系数，用隔震结构与非隔震结构最大扭转角的比值定义为扭转减震系数，通过ETABS结构设计软件分析隔震层偏心率对偏心扭转结构平动减震系数及扭转减震系数的影响。

1 工程概况

以某实际工程为抗震结构原型，其结构形式为钢筋混凝土框架结构，总高27．0 m，底层层高5．0 m，第二层层高4．0 m，标准层层高3 m，丙类建筑，设防烈度为8度，地震基本加速度为0．30g，Ⅱ类场地，特征周期为0．45 s，地震波选取了5条实际强震记录和2条人工模拟的加速度时程曲线，将这7条加速度时程曲线输入到抗震结构并与振型分解反应谱法计算出的结构底部剪力相比，计算表明，每条波计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条波计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，可见所选取的7条地震波符合建筑抗震设计规范的要求，最终计算结果取7条地震波结果的平均值。

经计算，本模型上部结构仅存在X方向的偏心，为简化计算，隔震层的布置也仅考虑了X方向的偏心，本章在上部结构布置不变的情况下通过改变铅芯隔震支座与橡胶隔震支座的数目或型号改变隔震层的偏心率，本文取 ebx=0．01，0．02，0．03，0．04，0．05，0．06。所建模型ETABS三维视图及隔震层布置如图1所示，隔震层偏心率的改变是通过改变铅芯隔震支座与橡胶隔震支座的数目或型号来实现的。

图1 ETABS模型三维视图及隔震层布置图

2 结构扭转分析

目前，国内外许多学者都对隔震层偏心率对隔震结构的平移—耦联效应进行了研究，但是得到的看法并不统一。美国学者Lee［8］和 Pan等［9］认为，只要隔震装置偏心程度很小，即使上部结构偏心较大，结构的扭转反应也会很小，扭转反应可以忽略;但Nagarajaiah等人［10］认为，即使隔震层偏心很小，上部结构的偏心仍会使结构产生扭转。M．Eisenberger和 A．Rutenberg［11］研究了单轴对称的三榀基础隔震框架结构(分别为2层，5层，10层)的地震反应。该研究结果表明当隔震层偏心较小时，上部结构的偏心对基础隔震结构的扭转反应影响不大。本文在上部结构保持不变的情况下改变隔震层偏心率，观察上部结构的扭转反应，隔震结构的扭转效应用扭转角来表示，隔震结构扭转角随隔震层偏心率变化趋势如图2所示。

由图2可以看出，随着隔震层偏心率的增大，结构的扭转角随之增大。且当隔震层的偏心率大于5%时，基础隔震结构的扭转角增幅较大。规范中用周期比和位移比来表示结构的扭转程度，位移比是指楼层竖向构件(即墙、柱)的最大水平位移与层间平均位移的比值，周期比是指扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T之比。

图2 不同隔震层偏心率扭转角的变化

本文六个模型的周期比，位移比如表1所示。

表1 周期比和位移比指标

图3 七条地震波下计算的两种减震系数对比

由表1可以看出，对于规范中的周期比不大于0．9六个模型都符合，也能够显示出隔震层偏心率增大，周期比变大。对于规范中规定的结构位移比不应大于1．5，在Y方向，平面布置规则，位移比保持不变;在X方向，随着隔震层偏心率的增大，结构的位移比增大。

3 减震率分析

模型采用刚性楼板假设，在扭转角计算中，可认为对每一层楼板在扭转反应中是一刚性转动，各层扭转角的计算取同一X坐标整体楼板上下各端部点，每边端点沿楼层高度位于同一条竖直线上。由于结构无论是隔震层还是上部结构只存在X方向的偏心，因此扭转角最大的地震作用方向是与偏心方向垂直的Y方向的地震波。七条地震波计算得到的水平减震系数与扭转减震系数对比及由七条地震波计算得到的层剪力与扭转角平均值的水平减震系数与扭转减震系数关系如图3所示。

由图3分析可知，虽然不同的地震波得到的水平减震系数与扭转减震系数都不相同，但是他们都有相同的变化趋势，即随着隔震层偏心率的增大，水平减震系数减小而扭转减震系数却增大。由最后平均值的对比图可以得出，在隔震层的偏心率ebx在5%以下时，水平减震系数要大于扭转减震系数，结构的减震效果可以用水平减震系数表示;而当隔震层的偏心率ebx大于5%时，结构水平减震系数迅速减小而扭转减震系数却迅速增大，当隔震层的偏心率为6%时，扭转减震系数已经大于水平减震系数，结构的减震效果就不能单纯的靠水平减震系数来判断。

4 结语

1)随隔震层偏心的增大，偏心裙房结构的扭转角增大，并且隔震层偏心率大于5%后结构扭转角增大幅度较大。

2)随隔震层偏心率增大，基础隔震结构的水平减震系数呈减小的趋势，而以结构最大扭转角定义的扭转减震系数则总体呈增大趋势，并且当隔震层偏心率大于5%后，扭转减震系数大于水平减震系数，偏心裙房结构的减震效果不能用水平减震系数来表示。

［1］江宜城，唐家祥．单轴偏心的基础隔震结构扭转反应分析［J］．华中理工大学学报，1999(6):81-83．

［2］江宜城，唐家祥，李媛萍．多层框架隔震结构的地震扭转反应分析［J］．工程抗震，2000(2):12-14．

［3］Crosbie．R．L．Base isolation for torsion reduction in asymmetric structures under earthquake Loadings［J］．Earthquake Eng Struct Dyn，1977(3):97-99．

［4］魏德敏．基础隔震高层建筑地震响应的理论分析［J］．地震工程与工程振动，2003(1):140-144．

［5］Arturo Tena-Colunga，Christian Zambrana-Rojas．Dynamic torsional amplification of base-isolated structure with an eccentric isolation system［J］．Engineering Structure，2006(28):72-83．

［6］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］．

［7］牛力军，张文芳．某教学楼在不同隔震参数配置下的减震系数研究［J］．土木工程学报，2010，43(S1):329-333．

［8］Lee D M．Base isolation for torsion reduction in asymmetric structures under earthquake loading［J］．Earthq．Engrg．Struc．Dyn，1979，8(3):349-359．

［9］Pan TC，Kelly JM．Seismic response of torsionally coupled base isolated structures［J］．Earthq．Engrg．Struc．Dyn，1982，11(6):749-770．

［10］Satish Nagarajaiah，AndreiM Reinhorn，Michalakis CConstantinou．Torsion in Base-isolated Structures with Elastomeric Isolation Systems［J］．Journal of Structural Engineering，1993，119(10):2932-2951．

［11］M．Eisenberger，A．Rutenberg．Seismic base isolation of asymmetric shear buildings［J］．Journal of Engineering Structures，1986 (8):2-8．