高層建筑隔震性能分析研究

李 婧，蘭文改

（華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045）

近年來，隨著工程抗震的發展，傳統抗震方法通過對結構本身采取加固措施所能達到的效果變得越來越低。由于傳統抗震方法的局限性，結構振動控制方法應運而生。

其中，建筑隔震技術通過在建筑結構某一層布置隔震支座的方式，將建筑的上部結構與基礎分離，減少甚至避免地震能量從底部傳輸到上部結構[1]，該技術被越來越多地運用在實際工程中。

隔震技術通過“以柔克剛”的方式進行抗震，以延長結構的自振周期，增大結構的阻尼，減少地震對上部結構的動力效應[2]。隔震層位置也從最初的僅能設置在結構與基礎之間發展到了可以布置在基礎之上的某一層。層間隔震的出現使隔震層的布置位置變得更加靈活，為工程抗震技術提供了更多的可能性。2021年，《建筑隔震設計標準》[3]的頒布和實施也使得隔震技術更加完善和成熟，在一定程度上也會推動隔震技術的發展及應用。

1 工程概況與模型建立

本文以某12 層教學樓為例進行分析，教學樓采用鋼筋混凝土框架結構，建筑總高度47.4 m，地上12 層，首層高度4.5 m，其他層高度3.6 m，無地下室，總長度32.4 m，寬度15.3 m。該建筑抗震設防烈度7 度，乙類建筑，設計分組為第二組，地震加速度峰值0.1g，特征周期0.45 s，擬采用隔震技術，結構布置圖如圖1所示。

圖1 結構布置圖（單位：mm）

利用有限元軟件SAP2000 建立框架結構體系有限元模型，并進行受力分析，在SAP2000 軟件中能夠精準模擬出橡膠隔震支座的性能。在建立模型時，框架梁、柱采用框架單元，樓板采用面單元，模擬橡膠隔震支座采用橡膠隔震單元，定義連接類型為Rubber Isolator，通過SAP2000 建立的整體模型如圖2 所示。

圖2 整體模型圖

2 隔震層布置

《建筑隔震設計標準》（以下簡稱《隔標》）現已正式發布，對于隔震結構設計，《建筑隔震設計標準》與《建筑抗震設計規范》[4]（以下簡稱《抗規》）的區別主要在于，《隔標》中將包含隔震層的“一體化直接設計法”代替“分部設計”。在理論依據方面，《隔標》以復振型分解和CCQC 振型組合規則為核心理論[5]。在設計方法的選取時，何世茂[6]認為，非“兩區八類”建筑，選用《隔標》與《抗規》均可，本文選取的建筑并非規范中的“兩區八類”建筑，在隔震層布置時選擇《抗規》為設計依據。

本工程無地下室，所以基礎隔震在±0.000 以下設置隔震層，層間隔震的位置設置在4 層柱頂，隔震層層高1.6 m。隔震層采用天然橡膠支座與鉛芯橡膠支座組合布置，選用了不同規格的橡膠支座共計40 個，其中，天然橡膠支座16 個，鉛芯橡膠支座34 個。角柱處設置規格為LRB700 的鉛芯橡膠支座，結構外圍設置規格為LRB600 的鉛芯橡膠支座，結構內部設置規格為LNR600 的天然橡膠支座。基礎隔震結構為方案1，層間隔震結構為方案2。隔震層的布置如圖3 所示。

圖3 隔震支座分布圖（單位：mm）

3 模態分析

模態分析是分析結構固有動力特征的一種近似方法，是時程分析的基礎，在SAP2000 中提供了特征向量法和Ritz 向量法2 種求解方法，本文選取Ritz 向量法對原結構以及方案1 和方案2 進行模態分析。

通過模態分析，得出結構的前12 階自振周期如表1 所示。

表1 自振周期

從表1 中可以看到，方案1 與方案2 都能延長結構的自振周期，但方案2 的效果不如方案1 顯著。在第一階振型下，非隔震結構的自振周期為2.05 s，基礎隔震結構的自振周期為3.57 s，層間隔震的自振周期為2.61 s，增設了隔震支座的結構盡管都顯著增加了結構的自振周期，但隔震層位置的不同會影響其自振周期，基礎隔震結構的自振周期較原結構延長了74%，而層間隔震結構的自振周期較原結構延長了27%。

4 時程分析

4.1 地震波選取

根據規范的相關要求，在選取地震波時，需要選取實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄不少于2/3，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型反應分解譜計算結果的60%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型反應分解譜計算結果的80%。

根據規范的相關要求，本結構選用3 條地震波，分別為TRI 波、LWD 波的2 條天然波和依據規范合成的1 條人工波“REN”。將選取的3 條時程曲線與反應譜曲線作用下的結構底部剪力提取計算，結果匯總情況如表2 所示，經過計算，3 條地震波是符合規范要求的。

表2 驗算地震波

4.2 層間剪力對比分析

將原結構模型與方案1、方案2 在所選取的3 條地震波的作用下進行非線性動力時程分析，得到結構層間剪力的對比，3 個模型在X向地震作用下的層間剪力情況如圖4 所示。

圖4 X 向地震作用下層間剪力

由以上圖可以看出，在地震作用下，普通框架結構的層間剪力會比增設隔震支座的結構大得多，說明隔震技術能夠有效地減少上部結構的動力響應。基礎隔震結構層間剪力大幅降低，層間隔震結構較基礎隔震結構層間剪力略大一些。從曲線變化趨勢看，減震效果最明顯的是底層，隨著樓層的增加，層間剪力減少的趨勢變小。

4.3 層間位移對比分析

層間位移最大值是衡量結構使用功能的重要參數指標，能夠反映結構變形程度。在軟件中利用截面切割法獲取結構在3 條地震波下的層間位移最大值，分別如表3、表4、表5 所示。

表3 LWD 波作用下不同結構層間位移最大值（單位：mm）

表4 TRI 波作用下不同結構層間位移最大值（單位：mm）

表5 REN 波作用下不同結構層間位移最大值（單位：mm）

由表可知，隔震結構能夠降低地震對上部結構的動力響應，層間位移最大值發生在隔震層，隔震層以上層間位移值較小，接近于整體平動，說明結構在隔震層吸收了大量地震能量，有效地減少了地震作用對上部結構的影響。基礎隔震結構與層間隔震結構相比，基礎隔震結構隔震層位移值突變幅度更大，且上部結構的位移較小，說明基礎隔震能夠對地震作用向隔震層以上結構的傳遞起到有效抑制的作用。

5 結語

本文首先利用SAP2000 軟件建立框架結構分析模型，并依據相關文獻隔震結構的設計方法進行合理選取，結合相關規范進行隔震層的設計與布置。采用模態分析、反應譜分析和時程分析的方法對結構的周期和剪力進行分析，得出結論：無論是層間隔震還是基礎隔震都會起到延長結構自振周期和降低結構層間剪力的效果，但是本結構中基礎隔震的減震效果明顯大于層間隔震，原因是隔震層位置的不同影響了減震效果。隨著《隔標》的實施，隔震技術在實際工程中也將受到越來越多的重視和應用，隔震技術也會愈加規范和成熟。