基础隔震技术对框架结构抗震能力提升的研究

申启飞

(南通开放大学建筑工程学院，江苏 南通 226000)

1 基础隔震原理

根据地震作用原理，减少地震对主体结构的破坏，在基础和上部结构之间设置隔震层，在遇到地震荷载作用时，设置的隔震层可以起到缓冲的作用，让上部主体结构处于一个相对的弹性工作状态，有效隔断地震水平力对上部结构的影响。橡胶垫基础隔震是目前广泛使用的一种基础隔震装置。

2 隔震支座布置

2.1 隔震支座的工作原理

各类隔震装置的研发始于20世纪60年代，本文研究的是一种复合型隔震支座，图1是其2种构造形式，它是在橡胶片与橡胶片之间置入薄钢板叠合制作而成。在工作状态下，由于薄钢板的强度和刚度比较大，有效改善了橡胶片竖向承载力差的问题，承荷能力显著提升，结合橡胶片的韧性和薄钢板的刚度，确保了上部主体结构的稳定；由于构造的差异，虽然图1中的铅芯橡胶支座刚度小，但它却有缓冲作用，能减弱地震荷载对上部结构的影响。

图1 复合型隔震支座示意图

2.2 支座布置

隔震支座布置是否合理，直接影响隔震的效果。隔震支座首次布置后，对比SAP2000模型、ETABS模型对结构总荷载、自振周期和隔震层间的剪力进行分析对比，检验其各参数设置是否符合规范要求，同时对隔震支座处产生的压应力、强震下的结构抗倾覆力、隔震支座的位移量和结构的偏心率进行验算，判别是否符合规范要求。在此过程中如有不符合的指标，则需要重新调整支座的位置后再进行验算，最终须完全符合规范规定。隔震支座的布置既要有足够的稳定性，还需要保证在荷载作用下的安全性，使得隔震支座的设置满足抗震要求，且隔震层设计合理。

3 工程应用

3.1 工程背景

江苏省某地级市的一学校框架结构教学楼，结构设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g。该建筑地面以上为4层，局部为5层，建筑结构高度18.0 m、宽14.1 m。

模拟时，根据《建筑结构荷载规范》来确定基本活荷载：建筑楼面均布活荷载标准值设为2.5 kN/m2，走廊、门厅和楼梯的均布活荷载标准值设为3.5 kN/m2，不上人屋面荷载标准值设为0.5 kN/m2，因建筑总高度不高，基本风压选用最低值0.3 kN/m2，B类粗糙度。

3.2 模型建立

以PKPM建模为基础，分别用SAP2000、ETABS 2个软件建立了教学楼隔震层上部结构的三维模型，如图2、图3所示。

图2 SAP2000模型

图图3 ETABS模型

模型中用空间梁柱单元模拟结构的梁、柱构件，壳体单元用来表现墙体。质量源用来定义模拟建筑物的楼板、梁柱自重及恒载，模拟过程中考虑荷载的折减，结合工程实际折减系统取值为0.7。在ETABS模型中，隔震支座选用Isolator1为隔震单元；在SAP2000模型中，隔震支座选用RUBER ISOLATOR作为隔震单元，隔震支座的参数选择须结合项目的实际需求来设定隔震单元属性值。

3.3 时程分析

模拟过程中共采用7条时程，分别为5条强震时程和2条人工仿真时程，时程分析时借助ETABS模型，重点分析了该教学楼基础上部主体隔震结构的整体非线性时程，同时将隔震试验时程分析结果与非隔震结构的时程分析结果进行了比对，重点分析其在不同地震烈度作用下(非)隔震基础底部的剪应力响应和地震加速度响应情况，如表1所示。

表1 试验时程反应谱与规范反应谱数值对比

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)可知，关键振型的周期点上对比相差不大于20%即满足规范要求，由此可得出结论：该模型满足抗震设计要求。

3.4 楼层位移对比分析

在地震荷载作用下楼层位移是破坏的主要特征，也是判别结构变形状态的依据。

3.4.1 在REN 1地震波作用下的楼层位移

由试验数据得出：在不同的工况作用下，采用基础隔震技术后上部结构的层间位移量明显减少。中震时，非隔震状态下试验结构的层间位移量达到了20.18 mm，而采用隔震技术的试验结构的层间位移量仅为6.12 mm，比非隔震结构的层间位移量值降低了69.7%；大震时，非隔震结构产生的层间位移值为38.20 mm，而采用隔震结构的层间位移值仅为14.75 mm，同样位移量值降低了61.4%，对比后可以看出采用隔震技术可有效降低结构的层间位移。此外，由试验可以看出，采用基础隔震技术后，该结构的变形主要体现在隔震层，且90%以上都是由隔震支座的位移而引发的变形。

在REN 2地震波作用下的位移情况与在REN 1地震波作用下的位移情况比较相近。在REN 1地震波作用下楼层位移量如表2所示。

3.4.2 在LWD地震波作用下的楼层位移

由试验数据得出：采用基础隔震技术可有效减小基础以上主体结构的层间位移量。在中震荷载作用下，当结构未采用隔震技术时，该状态下的层间位移量达到了21.10 mm，而隔震结构层间位移值为5.42 mm，两者对比位移量降低了74.3%，中震效果显著；大震工况作用下，非隔震结构导致层间位移值为39.47 mm，采用隔震结构的层间位移值仅为14.27 mm，两者对比位移量降低了63.8%，隔震效果显著。同时，变形相对集中的隔震层，绝大多数位移都是由支座变形而产生的。LWD地震波作用下楼层位移量如表3所示。

表2 REN 1地震波作用下楼层位移量

表3 LWD地震波作用下楼层位移量

3.4.3 在其他地震波作用下的楼层位移

由试验数据得出：在不同地震波作用下，隔震层能有效降低结构的层间位移，减少结构在地震荷载作用下的变形，且该结构的变形主要体现在隔震层。在其他地震波作用下楼层位移计算结果及降低率如表4所示。

表4 在其他地震波作用下楼层位移计算结果及降低率

综上所述，隔震结构的层间位移量对比非隔震结构，采用了基础隔震技术的结构层间位移显著降低、效果显著；隔震层是产生位移或变形相对集中的位置，且绝大多数变形都是由隔震支座变形而引起的。

4 结语

本文所述的工程采用上述基础隔震技术后，对比基本周期，其自振周期明显延长。通过合理地设置隔震支座，隔震层的可靠性和稳定性显著提高。数据显示采用基础隔震技术后，不管是在地震加速度值、结构层间剪力，还是在地震荷载作用下的楼层位移，相较于传统结构(未设隔震层)而言，隔震结构上部主体的稳定性和抗破坏性都显著提高，隔震效果显著。而且，采用基础隔震系统后，从基础再到上部结构，变形集中的隔震层有效地消耗了地震能量，减轻了地震作用后的破坏力。