隔震结构平面模型的非线性地震反应特征及参数研究

陈小燕

隔震结构平面模型的非线性地震反应特征及参数研究

陈小燕

本文采用平面基础隔震结构弹塑性时程分析程序，针对建筑结构隔震体系的地震反应特征及参数进行了研究。探寻橡胶垫隔震结构的地震反应特点和规律，对隔震结构的时程分析结果和传统抗震结构的时程分析结果进行比较，阐述隔震结构的优越性。

基础隔震；橡胶垫隔震；弹塑性时程分析；地震反应特征；参数研究

1 基础隔震结构的计算实例模型

1.1 模型的介绍

所用的计算实例是我国首栋基础隔震结构。其处于三类建筑场地，基本设防烈度为8度。其上部结构的水平抗剪刚度和质量：隔震层的质量为 0.215×106kg，Kb1为 3.0×106N·m-1，Kb2为 2.4×106N·m-1，隔震层的阻尼比为0.10，其它各层的阻尼比为0.05。

1.2 选用的地震波情况

本文选用的地震波为EL-CENTRO波南北向、EL-CENTRO波东西向、EL-CENTRO波竖向以及天津波南北向、天津波东西向、天津波竖向。

2 抗震结构与基础隔震结构的地震反应对比

2.1 结构动力特性分析

用自编的程序计算得到抗震结构和基础隔震结构在弹性阶段的周期，其计算结果见表1。

表1 抗震结构和隔震结构的自振周期（s）

从表1可以得出以下结论：

（1）隔震结构与抗震结构相比，前者的各阶自振周期比后者的各阶自振周期都长，而抗震结构的第一自振周期与场地的卓越周期Tg很接近，故对结构的抗震不利。可见采用了隔震装置的结构其自振周期大大的延长了。结构自振周期越长，越远离场地的卓越周期，地震时结构的地震反应越小。

（2）隔震结构的周期远远大于抗震结构的自振周期，从而避开了地震波的主要成份，这正是隔震结构能够减小地震作用的原因。因此隔震结构的自振周期应该与地震波主要成份相差越大越好。

2.2 结构的地震反应对比

以EL-Centro波和天津波为例，对抗震结构和基础隔震结构进行地震反应时程分析。按照8度多遇、设防烈度与罕遇输入地震波，即输入加速度峰值按比例放大为0.7m/s2、2m/s2和4m/s2的地震波。时程计算的时间为20s。

2.2.1 结构加速度反应分析

（1）由表2～4可看出在不同地震波作用下，基础隔震结构与抗震结构相比都有很大减小。原因是隔震层很好的隔离了地震能量向上部结构的传播。

（2）基础隔震结构的加速度值明显小于抗震结构的加速度值。

（3）基础隔震结构随地震波加速度峰值的增加，结构的加速度放大倍数都减小，表明地震波输入增大时，铅芯橡胶支座水平刚度减小，铅芯塑性变形增加，吸收地震能量，有效的隔离地面运动向上传播。

2.2.2 结构位移反应分析

（1）可以看出，在隔震结构中，在0层，即橡胶支座层的位移十分明显，在结构位移中占了相当大的比例；其次隔震结构与抗震结构相比，其上部层间位移都有显著的减小。由此可见，橡胶垫隔震层充分发挥了其大变形、消耗地震能量的作用，使得上部结构的的地震反应明显减轻。

（2）由图1可以看出，随地震波作用的增大，结构各层位移显著增加。而上部结构层间位移变化不大，表明地震动输入较大时，变形集中在隔震层，上部结构变形变化不大，从而有效地隔离地面运动。

在地震波作用下，隔震结构的层间剪力峰值明显小于抗震结构的层间剪力峰值。

表2 多遇地震作用下基础隔震结构与基础固定结构的楼层加速度峰值

表3 设防烈度地震作用下基础隔震结构与基础固定结构的楼层加速度峰值

表4 罕遇地震作用下基础隔震结构与基础固定结构的楼层加速度峰值

3 隔震结构双线性恢复力滞回特性曲线中各参数的影响

双线性恢复力模型中的各参数包括水平初刚度、水平第二刚度、屈服位移和强化阶段的最大位移四个方面，其中水平初刚度直接影响隔震系统的自振周期，进而影响隔震效果，屈服位移和水平第二刚度对隔震效果的影响分析如下：

（1）固定水平第二刚度（为水平初刚度的0.7倍）不变，将屈服位移由20mm逐步过滤到70mm（不超过隔震层的最大的位移），看其对地震反应的影响。

图1 设防烈度地震作用下抗震结构与隔震结构层间位移峰值对比

图2 结构顶层峰值绝对加速度随屈服位移的变化

图3 隔震层峰值位移随屈服位移的变化

从图2可以看出，屈服位移X0＜20mm时，结构顶部峰值绝对加速度随着X0的增大而减小；20mm＜X0＜70mm时，结构顶部峰值绝对加速度随着X0的增大而增大。从图3可以看出，当屈服位移X0＜30mm时，隔震层的峰值位移随着X0增大而迅速减小；当屈服位移X0＞30mm时，隔震层的峰值位移随着X0的增大而增大。

（2）固定屈服位移（X0=30mm）不变，改变第二水平刚度（通过改变第二水平刚度与水平初刚度的比值—刚度折减系统来实现）进行分析。

图4 结构顶部峰值位移绝对加速度随刚度折减系数的变化

图5 隔震层峰值位移随着刚度折减系数的变化

从图4可以看出，在刚度折减系数小于0.6时，结构顶部峰值绝对加速度变化较小；刚度折减系数在0.60～1.0时，结构顶部峰值绝对加速度随着刚度折减系数的增大而增大。从图5可以看出，在刚度折减系数小于0.4时，隔震层的峰值位移随着刚度折减系数的增大而迅速减小；刚度折减系数在0.4～0.8之间时，隔震层的峰值位移变化很小；刚度折减系数在0.8～1.0之间时，隔震层的峰值位移随着刚度折减系数的增大而缓慢增大。

4 结论

本文采用平面基础隔震结构弹塑性分析程序，针对建筑结构隔震体系的地震反应特征及参数进行了研究，得到以下的重要结论：

（1）采用平面基础隔震结构弹塑性分析程序，进行隔震结构和抗震结构的动力特性分析，可以得到隔震结构的各阶自振周期都有明显增长，离场地的特征周期较远，从而能够避开地震动的主要频段。

（2）对隔震结构与抗震结构的地震反应进行了研究，可以得出隔震结构加速度明显小于抗震结构加速度，隔震结构的主要变形变形集中在隔震层，上部结构各层的层间位移都有很大减小，基本作整体平动，层间剪力也明显小于抗震结构。说明隔震有滤波的作用，阻隔了地震波中的某些主要频率成分向上部结构的传递，能有效地减小上部结构的地震反应。

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TU352.12

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1004-7344（2016）23-0298-02

2016-7-30