增量動力分析法在隔震設計中的應用研究

滕曉飛 姚文花 周林麗 曾玲玉

（1嘉應學院土木工程學院；2廣州大學工程抗震研究中心）

0 引言

我國建筑抗震設計的基本設防目標是不同設計階段對應不同的設計水準目標[1]。然而，結構體系在不同設計階段會遭受不同強度地震作用的影響，從而導致結構構件的內力及強弱關系預估比設計階段出現更大的偏差，進而影響到整體結構的失效模式和可靠性[2]。對于隔震結構來說，由于柔軟隔震層的存在，使得整個體系表現出明顯的非比例阻尼特性。隔震直接設計法[3]通過迭代處理隔震層的非線性問題而使設計更加方便，因而得到推廣和應用。增量動力分析方法[4]（IDA）是近些年發展起來的一種用于評價結構抗震性能的動力參數分析方法，該方法的思路與我國模擬地震振動臺動力試驗的思路如出一轍，因此，可以更好地體現結構體系在不同設計階段的性能表現。本研究將增量動力分析法應用于某8度區簡單隔震工程算例，對直接設計法的設計結果進行研究并得出結論，以期為廣大隔震設計同行提供參考和借鑒。

1 不同抗震水準的隔震設計問題

隔震結構利用隔震裝置足夠柔軟的水平剛度以及足夠大的耗能能力來阻隔地震能量向上傳遞，從而有效保護上部主體結構的安全。然而，正是因為隔震裝置的這種特性導致隔震建筑成為了非線性體系，給隔震設計帶來一定困難。隔震裝置的滯回曲線大多表現為多段線性或Bonc-Wen模型[5-6]，如圖1所示。在隔震設計時必須先將隔震結構這個非線性體系轉換為等效線性化的彈性體系來進行分析計算，隔震直接設計法基于減隔震裝置的非線性滯回模型，以等效線性化迭代的方式處理了此類問題。事實上，我國建筑抗震設計的基本設防目標是不同設計階段對應不同的設計水準目標，兩階段的設計要求又難以體現不同水準下的設計目標是否滿足要求。因此，將增量動力分析方法用于隔震體系評估設計結果是必要的。由于隔震體系的非比例阻尼特性，不同的設計階段的迭代結果都會存在一定的誤差，這種誤差究竟有多大，是否能夠滿足工程應用的需求？這是一個值得研究的問題。

圖1 隔震裝置滯回曲線

2 增量動力分析方法

增量動力分析方法是近年發展起來的一種用于定量評價結構抗震性能的動力參數分析方法。它通過對結構施加一條特定的地震動時程記錄，將該條特定的地震動時程記錄按一定規則調整為多重強度水平，并在每一強度水平下分別進行時程分析，得到一系列工程需求參數。建立增量動力分析結果（DM）和地震動強度指標（IM）之間的關系曲線（IDA曲線）即可用于評價在不同地震水準下的結構性能。增量動力分析的步驟如下：

⑴建立增量動力分析的有限元模型并根據選擇一定數量的地震動記錄。

⑵設計地震動時程記錄的調幅規則并對相應的地震動時程記錄進行調幅，得到調幅后的地震動記錄用于增量動力分析。

⑶計算調幅地震動時程記錄下的結構動力響應結果并進行分析。

⑷若需要多條原始地震動時程記錄同樣重復上述（2～3）步驟，可以繪制IDA曲線進行分析。

⑸結合概率統計的方法對多條IDA分析結果進行后處理分析。若假定IDA曲線服從正態分布，可以得到不同IM均值和標準差對應的均值曲線和標準差對數曲線用于評估結構的抗震性能。

3 算例分析

為了研究增量動力分析方法用于隔震直接設計法的設計效果評估，首先以某8層規則的隔震框架結構為例進行設計，結構的有限元模型如圖2所示。其中，結構平面尺寸為26.4m×12.6m，建筑高度為26.2m，抗震設防烈度為8度（0.2g），II類場地，設計地震分組為第二組，場地特征周期為0.4s。隔震層層高1.8m，共布置了12個LRB500和12個LNR500的隔震支座。

圖2 隔震框架結構模型

采用集成化建筑結構輔助設計軟件YJK進行設計，在上部構件尺寸確定的前提下，分別得到設防地震、罕遇地震和極罕遇地震下的最大層間位移角、最大基底剪力和隔震層最大位移,如表1所示。

表1 框架結構隔震設計結果

為了采用增量動力分析方法對該模型隔震的設計結果進行評估，選擇和抗震設計反應譜吻合較好的Imperial-Valley波作為特定的地震動時程記錄，如圖3所示；以多遇地震（70gal）、設防地震（200gal）、罕遇地震（400gal）和極罕遇地震（600gal）四個不同設計水準對應的峰值加速度作為調幅規則進行增量動力分析，得到結構的動力響應結果如表2所示，不同階段的IDA曲線如圖4所示。

圖3 ImperialValley地震動時程曲線

圖4 隔震層最大位移的IDA曲線

表2 隔震框架增量動力分析結果

由以上分析結果可知：不同設計水準下，IDA分析的隔震層最大位移分別100mm、239mm和363mm，最大基底剪力為3122kN、7511kN和12007kN；直接設計法的最大隔震層位移分別為93mm、236mm和354mm，最大基底剪力分別為2894kN、7368kN和11152kN，隔震層最大位移誤差僅為7.0%、1.3%和1.1%。盡管增量動力分析的結果略大于隔震設計結果，這是由于隔震設計需要將隔震層的非線性參數處理成等效線性參數造成的，但最大誤差并沒有超過8%，基本可以滿足簡單隔震工程的應用需求。

4 結論

基于建筑抗震兩階段設計法分析了隔震設計中存在的問題，將增量動力分析方法用于某8度區隔震工程并對設計結果進行分析，研究表明：由于需要將隔震層的非線性參數處理成等效線性參數，導致增量動力分析的結果略大于隔震設計結果，但最大誤差并沒有超過8%，基本可以滿足簡單隔震工程的應用需求。