高层建筑隔震性能分析研究

李 婧，兰文改

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

近年来，随着工程抗震的发展，传统抗震方法通过对结构本身采取加固措施所能达到的效果变得越来越低。由于传统抗震方法的局限性，结构振动控制方法应运而生。

其中，建筑隔震技术通过在建筑结构某一层布置隔震支座的方式，将建筑的上部结构与基础分离，减少甚至避免地震能量从底部传输到上部结构[1]，该技术被越来越多地运用在实际工程中。

隔震技术通过“以柔克刚”的方式进行抗震，以延长结构的自振周期，增大结构的阻尼，减少地震对上部结构的动力效应[2]。隔震层位置也从最初的仅能设置在结构与基础之间发展到了可以布置在基础之上的某一层。层间隔震的出现使隔震层的布置位置变得更加灵活，为工程抗震技术提供了更多的可能性。2021年，《建筑隔震设计标准》[3]的颁布和实施也使得隔震技术更加完善和成熟，在一定程度上也会推动隔震技术的发展及应用。

1 工程概况与模型建立

本文以某12 层教学楼为例进行分析，教学楼采用钢筋混凝土框架结构，建筑总高度47.4 m，地上12 层，首层高度4.5 m，其他层高度3.6 m，无地下室，总长度32.4 m，宽度15.3 m。该建筑抗震设防烈度7 度，乙类建筑，设计分组为第二组，地震加速度峰值0.1g，特征周期0.45 s，拟采用隔震技术，结构布置图如图1所示。

图1 结构布置图（单位：mm）

利用有限元软件SAP2000 建立框架结构体系有限元模型，并进行受力分析，在SAP2000 软件中能够精准模拟出橡胶隔震支座的性能。在建立模型时，框架梁、柱采用框架单元，楼板采用面单元，模拟橡胶隔震支座采用橡胶隔震单元，定义连接类型为Rubber Isolator，通过SAP2000 建立的整体模型如图2 所示。

图2 整体模型图

2 隔震层布置

《建筑隔震设计标准》（以下简称《隔标》）现已正式发布，对于隔震结构设计，《建筑隔震设计标准》与《建筑抗震设计规范》[4]（以下简称《抗规》）的区别主要在于，《隔标》中将包含隔震层的“一体化直接设计法”代替“分部设计”。在理论依据方面，《隔标》以复振型分解和CCQC 振型组合规则为核心理论[5]。在设计方法的选取时，何世茂[6]认为，非“两区八类”建筑，选用《隔标》与《抗规》均可，本文选取的建筑并非规范中的“两区八类”建筑，在隔震层布置时选择《抗规》为设计依据。

本工程无地下室，所以基础隔震在±0.000 以下设置隔震层，层间隔震的位置设置在4 层柱顶，隔震层层高1.6 m。隔震层采用天然橡胶支座与铅芯橡胶支座组合布置，选用了不同规格的橡胶支座共计40 个，其中，天然橡胶支座16 个，铅芯橡胶支座34 个。角柱处设置规格为LRB700 的铅芯橡胶支座，结构外围设置规格为LRB600 的铅芯橡胶支座，结构内部设置规格为LNR600 的天然橡胶支座。基础隔震结构为方案1，层间隔震结构为方案2。隔震层的布置如图3 所示。

图3 隔震支座分布图（单位：mm）

3 模态分析

模态分析是分析结构固有动力特征的一种近似方法，是时程分析的基础，在SAP2000 中提供了特征向量法和Ritz 向量法2 种求解方法，本文选取Ritz 向量法对原结构以及方案1 和方案2 进行模态分析。

通过模态分析，得出结构的前12 阶自振周期如表1 所示。

表1 自振周期

从表1 中可以看到，方案1 与方案2 都能延长结构的自振周期，但方案2 的效果不如方案1 显著。在第一阶振型下，非隔震结构的自振周期为2.05 s，基础隔震结构的自振周期为3.57 s，层间隔震的自振周期为2.61 s，增设了隔震支座的结构尽管都显著增加了结构的自振周期，但隔震层位置的不同会影响其自振周期，基础隔震结构的自振周期较原结构延长了74%，而层间隔震结构的自振周期较原结构延长了27%。

4 时程分析

4.1 地震波选取

根据规范的相关要求，在选取地震波时，需要选取实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录不少于2/3，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型反应分解谱计算结果的60%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型反应分解谱计算结果的80%。

根据规范的相关要求，本结构选用3 条地震波，分别为TRI 波、LWD 波的2 条天然波和依据规范合成的1 条人工波“REN”。将选取的3 条时程曲线与反应谱曲线作用下的结构底部剪力提取计算，结果汇总情况如表2 所示，经过计算，3 条地震波是符合规范要求的。

表2 验算地震波

4.2 层间剪力对比分析

将原结构模型与方案1、方案2 在所选取的3 条地震波的作用下进行非线性动力时程分析，得到结构层间剪力的对比，3 个模型在X向地震作用下的层间剪力情况如图4 所示。

图4 X 向地震作用下层间剪力

由以上图可以看出，在地震作用下，普通框架结构的层间剪力会比增设隔震支座的结构大得多，说明隔震技术能够有效地减少上部结构的动力响应。基础隔震结构层间剪力大幅降低，层间隔震结构较基础隔震结构层间剪力略大一些。从曲线变化趋势看，减震效果最明显的是底层，随着楼层的增加，层间剪力减少的趋势变小。

4.3 层间位移对比分析

层间位移最大值是衡量结构使用功能的重要参数指标，能够反映结构变形程度。在软件中利用截面切割法获取结构在3 条地震波下的层间位移最大值，分别如表3、表4、表5 所示。

表3 LWD 波作用下不同结构层间位移最大值（单位：mm）

表4 TRI 波作用下不同结构层间位移最大值（单位：mm）

表5 REN 波作用下不同结构层间位移最大值（单位：mm）

由表可知，隔震结构能够降低地震对上部结构的动力响应，层间位移最大值发生在隔震层，隔震层以上层间位移值较小，接近于整体平动，说明结构在隔震层吸收了大量地震能量，有效地减少了地震作用对上部结构的影响。基础隔震结构与层间隔震结构相比，基础隔震结构隔震层位移值突变幅度更大，且上部结构的位移较小，说明基础隔震能够对地震作用向隔震层以上结构的传递起到有效抑制的作用。

5 结语

本文首先利用SAP2000 软件建立框架结构分析模型，并依据相关文献隔震结构的设计方法进行合理选取，结合相关规范进行隔震层的设计与布置。采用模态分析、反应谱分析和时程分析的方法对结构的周期和剪力进行分析，得出结论：无论是层间隔震还是基础隔震都会起到延长结构自振周期和降低结构层间剪力的效果，但是本结构中基础隔震的减震效果明显大于层间隔震，原因是隔震层位置的不同影响了减震效果。随着《隔标》的实施，隔震技术在实际工程中也将受到越来越多的重视和应用，隔震技术也会愈加规范和成熟。