高層結構采用組合隔震體系的減震效果分析*

葉志琴，班鑫磊，張轍洵，黨　育（蘭州理工大學土木學院，甘肅　蘭州　730050）

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高層結構采用組合隔震體系的減震效果分析*

葉志琴，班鑫磊，張轍洵，黨育
（蘭州理工大學土木學院，甘肅蘭州730050）

摘要：組合隔震體系是指隔震系統采用多種隔震支座，達到最優的減震效果。對于高層或小高層結構，在結構中軸力大的位置處設置彈性滑板支座,在其它位置設置橡膠隔震支座，可取得較好的減震效果。對一個實際的12層框架-剪力墻結構，分析對比了一般隔震體系和組合隔震體系的隔震效果，結果表明：采用組合隔震體系比一般隔震體系的減震效果好。

關鍵詞：疊層橡膠支座；彈性滑板支座；組合隔震；時程分析

1　概述

隔震技術作為一種有效的減震技術已被廣泛應用于各類中低層建筑中，取得了良好的減震效果。目前90%的隔震支座都采用疊層橡膠支座[1]，但隨著建筑物體系越來越復雜，或者地震作用較大時，僅采用普通疊層橡膠支座已不能達到較好的減震效果，應采用多種不同類型的隔震支座共同支撐上部結構的重量，各支座協同工作，以達到較好的減震效果。這樣的隔震體系就是組合隔震體系[1，2]。

本文采用的組合隔震是使用比較成熟的疊層橡膠支座和彈性滑板支座組合，利用彈性滑板支座的承壓性能高的優點,在結構中柱軸力大的位置處設置彈性滑板支座,在其它位置設置橡膠隔震支座。軸力較大位置處設置彈性滑板支座，原因是軸力變化會引起彈性滑板支座的恢復力變化，軸力較大位置處相對軸力變化小。Chalhoub和Kelly等[2]提出采用橡膠支座作為復位元件的組合摩擦隔震系統,并進行了振動臺試驗研究。呂西林[3]等進行了組合隔震房屋模型的振動臺試驗研究并對其結果進行能量分析；李愛群等[4]對組合隔震結構地震反應的一般特性，并探討了組合隔震體系參數的選擇；這些研究主要集中于理論分析及試驗驗證等方面,而針對組合隔震結構的實用設計方面，還有待完善。本文對一個實際的12層框架-剪力墻結構，分別采用一般隔震體系和組合隔震體系，對比分析了兩種隔震體系的減震效果，初步探討了組合隔震結構的設計原則，本文的研究可為高層組合隔震結構的設計提供參考。

2　組合隔震體系計算模型

并聯組合隔震體系是由鉛芯橡膠支座和滑動支座并聯組合而成，隔震層在滑動前的水平剛度為K1’（K1’=K1鉛+K1滑），滑動后的剛度為鉛芯橡膠支座的屈服后剛度K2。因此并聯組合隔震支座的恢復力模型可簡化為雙線性模型，如圖1所示。

圖1　并聯組合隔震的恢復力模型

3　組合隔震結構動力分析

3.1工程實例

該工程高度23.1m，11層，上部結構采用框架-剪力墻，乙類建筑，抗震設防烈度9度，II類場地，設計分組第二分組，Tg=0.45s。隔震層設于基礎與上部結構之間。隔震體系分別采用一般隔震體系和組合隔震體系，一般隔震體系采用鉛芯橡膠支座與天然橡膠支座，隔震層布置如圖2所示，組合隔震體系采用鉛芯橡膠支座與彈性滑板支座，由于彈性滑板支座的容許應力更高，故通常彈性滑板支座布置在結構中部軸力較大處，隔震層布置如圖3所示。隔震支座參數見表1，表2。

圖2　一般隔震體系的支座平面布置

圖3　組合隔震體系的支座平面布置

表1　疊層橡膠支座的參數

表2　彈性滑板支座的參數

對以上兩種隔震體系，分別采用有限元軟件ETABS建立模型并進行時程分析。分別輸入7條地震波進行時程分析，并在設防地震和罕遇地震時進行加速度調幅。設防地震時200gal，罕遇地震時為400gal。

3.2分析結果

3.2.1水平向減震系數

各層的水平向減震系數是隔震結構的層間剪力/不隔震結構的層間剪力，圖4顯示了兩種隔震體系x,y向各層的水平向減震系數。

圖4　組合隔震體系與一般隔震體系的各層水平向減震系數對比

從圖4可看出，無論是X向還是Y向，采用組合隔震體系的水平減震系數較一般隔震體系要小。原因是彈性滑板支座的屈服后剛度近似為0，與鉛芯橡膠支座組合后，整個體系的屈服后剛度仍小于一般隔震體系，對于高層隔震結構的減震而言，采用適當比例的彈性滑板支座與鉛芯橡膠支座組合，可取得比一般隔震體系更好的減震效果。

3.2.2罕遇地震下結構的層間位移

罕遇地震下非隔震結構、組合隔震體系和一般隔震體系的層間位移如圖5所示。其中對于隔震結構，0層表示隔震層，對于非隔震結構，0層表示隔震支座的上支墩底端處。

圖5　組合隔震體系與一般隔震體系的各層層間位移對比

從圖5可看出，罕遇地震下，兩種形式的隔震結構的上部結構各層層間位移角比較接近，說明隔震后上部結構仍是整體平動，且層間位移角約為1/ 400，對于框架-剪力墻結構而言，說明采用隔震措施后，上部結構在罕遇地震下也可保持彈性。而非隔震結構的1，2層會有較大層間位移，各層層間位移角約為1/100，說明上部結構在罕遇地震下已發生較大的塑性變形，結構會有較大破壞。組合隔震體系和一般隔震體系的上部結構層間位移很接近。但組合隔震體系的隔震層位移X，Y向分別為180mm和193mm，一般隔震體系隔震層位移X，Y向分別為266mm和297mm。說明采取組合隔震體系，也可有效控制大震時的隔震層位移。

4　結論

本文對一個實際的12層框架-剪力墻結構，分別采用一般隔震體系和組合隔震體系，即全部使用橡膠支座和橡膠支座和部分彈性滑板支座組合的隔震系統，對比分析了兩種隔震體系設防地震下上部結構的水平向減震系數，罕遇地震下結構的層間位移。結果發現，采用組合隔震體系的水平減震系數較一般隔震體系要小。說明對該結構采用組合隔震體系，減震效果要比一般隔震體系好。同時，兩種隔震結構的上部結構各層層間位移角約為1/400，說明采用隔震措施后，在罕遇地震下該建筑的上部結構仍可保持彈性。同時，采用組合隔震體系的隔震層位移較一般隔震體系小。說明對于高層隔震結構的減震而言，采用適當比例的彈性滑板支座與鉛芯橡膠支座組合，可取得比一般隔震體系更好的減震效果。

參考文獻：

[1]日本建筑學會著.劉文光譯.隔震結構設計[M].北京：地震出版社，2006.

[2] M.S.Chalhoub and J.M.Kelly. Sliders Tension Controlled Reinforced Elastomeric BearingsCombined for Earthquake Isolation [J].EarthquakeEngineering&Structural Dy namic, 1990,19(2):342-351.

[3]呂西林,朱玉華,施衛星.組合基礎隔震房屋模型振動臺試驗研究[J].土木工程學報，2001(2):43-49.

[4]毛利軍,李愛群.建筑結構基礎隔震體系研究進展[J].華東交通大學學報，2004,21(4):26-29.

*基金項目：甘肅省財政廳項目，蘭州理工大學大學生創新項目。

中圖分類號：G267