基于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究分析

申磊 王健

1河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（450000）2河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450053）

基于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究分析

申磊1王健2

1河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（450000）2河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450053）

通過(guò)分析抗震技術(shù)思路的轉(zhuǎn)變，開(kāi)展基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究。研究表明：隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右，從而消除或有效地減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞；基礎(chǔ)隔震偏心結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響；隔震層頂部的梁板結(jié)構(gòu)，應(yīng)作為其上部結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。上部結(jié)構(gòu)偏心距、抗扭剛度及支座摩擦系數(shù)、支座滑道半徑，對(duì)摩擦擺基礎(chǔ)隔震上部偏心結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有一定的影響。

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)；抗震技術(shù)；偏心結(jié)構(gòu)；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；地震反應(yīng)

0 引言

近幾十年,世界發(fā)生許多大大小小地震,特別是1976年7月28日唐山大地震；2008年5月12日四川汶川地震；2010年1月12日海地首都太子港地震等造成未設(shè)防的建筑物嚴(yán)重破壞倒塌，在震中地區(qū)實(shí)際地震影響烈度遠(yuǎn)高于設(shè)防烈度，致使具備一定抗震設(shè)防能力的建筑結(jié)構(gòu)也遭受不同程度的破壞。建筑物是人員傷亡最直接的殺手，因此造成了重大傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。震后建筑物破壞倒塌，如圖1所示。

圖1 震后建筑物破壞倒塌

地震一直備受專家及研究人員高度重視，通過(guò)對(duì)地震災(zāi)區(qū)建筑震害的調(diào)查研究，吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷對(duì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更新和修訂。1959年,編制《地震區(qū)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（草案）（未頒布）。1964年，編制《地震區(qū)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（草案）（未頒布），首次引入結(jié)構(gòu)系數(shù)折減結(jié)構(gòu)的地震荷載，以彌補(bǔ)彈性理論計(jì)算結(jié)果與彈塑性結(jié)構(gòu)客觀實(shí)際之間的差距。1974年，原國(guó)家建委批準(zhǔn)頒布《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ 11-74）（試行）[1]。1978年，國(guó)家建委批準(zhǔn)頒布《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ 11-78）[2]。1989年，建設(shè)部批準(zhǔn)頒布《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 11-89）[3]，1990年開(kāi)始實(shí)施，并于1993年作局部修訂。1996年，建設(shè)部批準(zhǔn)頒布《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101-96）[4]。2001年，建設(shè)部和國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001）[5],于2008年“5·12汶川地震”后作了局部修訂，成為《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001）（2008版本）[6]；抗震性能設(shè)計(jì)方法被明確地編入修訂的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，充實(shí)了中國(guó)特色的“三水準(zhǔn)兩階段”抗震設(shè)防理念。2010年，建設(shè)部和國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）[7]。

1 抗震思路的轉(zhuǎn)變

地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種能量傳遞和耗散的過(guò)程，減小或控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)主要是以適當(dāng)?shù)姆绞胶纳⒌卣疠斎氲哪芰俊Ｄ芰糠治龅脑砭褪菑慕Y(jié)構(gòu)自身的耗能能力出發(fā)，綜合考慮各種與能量有關(guān)的影響因素，對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用過(guò)程中的安全性作出評(píng)價(jià)[8]。傳統(tǒng)抗震是消極被動(dòng)地對(duì)建筑物采用加固措施，或者按照估計(jì)的地震作用大小，提供一定的抗震能力，以保其安全。地震是一種隨機(jī)振動(dòng)的突發(fā)性自然災(zāi)害，存在著復(fù)雜性和不確定性,要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前還做不到。在結(jié)構(gòu)分析方面，未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、結(jié)構(gòu)材料的非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，同時(shí)也存在著不準(zhǔn)確性[9]。

隨著科技高度的發(fā)展，許多專家學(xué)者正在研究新型抗震技術(shù)，即積極抗震方法（基礎(chǔ)隔震、阻尼減震、吸能減震及震動(dòng)控制）。這里主要論述基礎(chǔ)隔震，它是通過(guò)隔震層的大變形來(lái)減少其上部結(jié)構(gòu)的地震作用，從而減少地震破壞。隔震設(shè)計(jì)需解決的主要問(wèn)題是:隔震層位置的確定，隔震墊的數(shù)量、規(guī)格和布置，隔震層在罕遇地震下的承載力和變形控制,隔震層不隔離豎向地震作用的影響，上部結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)及其與隔震層的連接構(gòu)造等。

2 基礎(chǔ)隔震的研究現(xiàn)狀

基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)是指在房屋基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成具有整體復(fù)位功能的隔震層，以延長(zhǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期,減少輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，達(dá)到預(yù)期防震要求。隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右[7]，從而消除或有效地減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞，提高建筑物及其內(nèi)部設(shè)施和人員的安全性，增加了震后建筑物繼續(xù)使用的功能。

通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的能量反應(yīng)分析，表明隔震系統(tǒng)吸收了大部分的能量，使上部結(jié)構(gòu)得到了有效保護(hù)，并在能量輸入和耗散平衡的基礎(chǔ)上，提出了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的能量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法。

隔震體系的計(jì)算簡(jiǎn)圖，應(yīng)增加由隔震支座及其頂部梁板組成的質(zhì)點(diǎn)；對(duì)變形特征為剪切型的結(jié)構(gòu)可采用剪切模型，如圖2所示；當(dāng)隔震層以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震層剛度中心不重合時(shí)，應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響；隔震層扭轉(zhuǎn)計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖3所示。隔震層頂部的梁板結(jié)構(gòu)，應(yīng)作為其上部結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

圖2 剪切模型（結(jié)構(gòu)變形特征為剪切型）

圖3 隔震層扭轉(zhuǎn)計(jì)算簡(jiǎn)圖

基礎(chǔ)隔震偏心結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究日益受到重視，Tena-Colunga等[10，11]研究了上部結(jié)構(gòu)偏心和隔震系統(tǒng)偏心等因素對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)中支座位移的影響。Samali等[12]和Llera等[13]分別對(duì)上部結(jié)構(gòu)存在單向質(zhì)量偏心的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，表明疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)和摩擦擺隔震系統(tǒng)雖然可以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，但結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)是不能被忽略的。摩擦擺支座由于其特有的圓弧滑動(dòng)面，可以有效地限制隔震支座的位移，并在震后能自動(dòng)復(fù)位功能，已在房屋建筑和橋梁工程中得到了應(yīng)用。王建強(qiáng)等[14]，對(duì)上部結(jié)構(gòu)存在偏心的摩擦擺基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平雙向地震作用下的平-扭耦聯(lián)地震反應(yīng)分析,研究上部結(jié)構(gòu)偏心距和抗扭剛度對(duì)摩擦擺基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。

王建強(qiáng)等[15，16]，對(duì)不同地震烈度作用下的摩擦擺基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，分析了支座摩擦系數(shù)、支座滑道半徑對(duì)支座位移、樓層加速度和樓層剪力的影響。隔震支座在長(zhǎng)期使用過(guò)程中需要檢查和維護(hù)，為了確保隔震的效果，隔震支座的性能參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)及后期定期檢查。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)隔震偏心結(jié)構(gòu)的研究分析，得出以下主要結(jié)論:

1）隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右，從而消除或有效地減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞。

2）基礎(chǔ)隔震偏心結(jié)構(gòu),應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響；隔震層頂部的梁板結(jié)構(gòu)，應(yīng)作為其上部結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

3）摩擦擺支座由于其特有的圓弧滑動(dòng)面，可以有效地限制隔震支座的位移，并在震后能自動(dòng)復(fù)位功能，有待進(jìn)一步的關(guān)注和研究。

4）上部結(jié)構(gòu)偏心距、抗扭剛度及支座摩擦系數(shù)、支座滑道半徑對(duì)摩擦擺基礎(chǔ)隔震上部偏心結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響有待進(jìn)一步研究。

[1]TJ 11-74,工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1974.

[2]TJ 11-78,工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1979.

[3]GBJ 11-89,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1989.

[4]JGJ 101-96,建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[5]GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.

[6]GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社(2008版),2008.

[7]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

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