基底懸擺隔震結構抗震性能數值分析

摘要：基底懸擺隔震（base-suspended pendulum isolation，BSPI）結構是一種新型懸掛隔震結構體系.首先介紹BSPI結構的懸掛隔震層構造和力學模型.然后通過振動臺模型試驗，驗證有限元建模方法的正確性.最后建立BSPI結構和常規框架的有限元模型，進行動力時程分析，得到不同地震作用下的結構動力響應，對比分析了BSPI結構和常規框架結構的抗震性能.研究結果表明：BSPI結構因設置了懸掛隔震層，整體抗側剛度降低，罕遇地震作用下加速度響應顯著減小，僅為常規框架的1/5～1/2；通過在懸掛隔震層設置黏滯阻尼器，有效地控制了結構整體位移，相比于BSPI無控結構，罕遇地震作用下BSPI有控結構的上部結構層間位移降低了約50%；罕遇地震作用下，BSPI上部結構的層間位移角小于1/100，滿足抗震設防目標.

關鍵詞：基底懸擺隔震結構；振動臺試驗；動力響應；數值模擬；抗震性能

中圖分類號：TU351；TU352.1 文獻標志碼：A

懸掛結構體系是使用吊桿將部分子結構懸掛于主體結構上而構成的建筑結構體系，被懸掛的結構稱為子結構，通常在主-子結構之間設有耗能裝置，通過設置結構參數，實現類似TMD的主-子結構的減震效果［1-4］.懸掛結構體系因獨特的抗震性能，受到國內外學者的廣泛關注.傳統的懸掛結構最早應用于橋梁工程領域［5］，如斜拉橋、懸索橋等，其具有受力明確、跨度大等優點.隨著科學技術的進步，懸掛結構開始出現于大跨結構和高層結構中，如著名的德國慕尼黑寶馬（BMW）公司辦公大樓、香港匯豐銀行大廈等［6］，并提出了比以往更嚴格的抗震安全性和適用性要求.

針對懸掛結構體系的抗震性能，國內外很多學者對其進行了探索.Bakhshi等［7］提出了懸擺隔震體系的概念，把上部結構布置在懸掛板上，從而形成一個柔性界面，上部結構按擺動周期進行平動.同時對該體系進行了4/25比尺的振動臺模型試驗，研究結果顯示，該體系具有良好的抗震性能.Nakamura等［8］提出了核心筒懸掛隔震體系，闡述了其結構隔震機理，并對一幢應用該體系的核心筒懸掛結構進行了工程試驗.試驗結果表明核心筒懸掛隔震體系減震效果明顯.王學慶［9］建立了懸掛體系的單質點和雙質點力學模型，并進行了比較分析，在體系的質量比和剛度比達到一定量值后，體系可以簡化為單質點模型.He等［10］提出了多層懸掛樓板體系，將樓層的吊點設置在立柱上，進行了抗震性能分析并提出了體系的最佳周期比.Du等［11］對一例巨型框架懸掛結構進行了振動臺試驗，并與常規框架結構進行了對比分析，結果表明該結構體系具有良好的抗震性能.譚平等［12］建立了懸吊隔震結構體系兩個自由度的力學等效模型，提出了懸吊結構的優化設計方法.目前懸掛結構體系大都具有主-子結構體系，必須兼顧兩部分的抗震性能，設計較為復雜，工程應用具有局限性.魯亮等［13］在上述研究的基礎上提出了BSPI結構體系，與傳統主-子結構體系的懸掛結構不同，該結構體系的主要技術特征是將上部結構懸掛在剛度近似無限的基礎結構上，比如地下室箱型基礎，由于基礎結構的剛度極大，自身抗震要求易得到滿足，也免去了對主-子結構相互作用的考慮.由于懸掛隔震層的存在，BSPI結構體系隔震層抗側剛度小，地震作用下上部結構加速度響應明顯減小.

為進一步研究BSPI 結構的抗震性能，本文對BSPI結構構造和力學模型進行簡要介紹，通過質量塊等效模型振動臺試驗結果對有限元建模方法進行驗證［13］，最后建立BSPI結構和常規設計的鋼筋混凝土框架（reinforced concrete frame，RCF）結構的有限元模型，對BSPI 結構和RCF 結構進行動力時程分析，對兩類結構抗震性能進行比較分析.

1 BSPI 結構

1.1 BSPI 結構構造

BSPI結構可分為上部結構（被懸掛結構）、基礎結構（懸掛結構）與懸掛層（隔震層）等部分，上部結構為普通框架結構或其他類型結構，懸掛層由吊桿、柱底托板、黏滯阻尼器等構成，結構體系示意圖和懸掛層構造詳圖分別如圖1、圖2所示.BSPI結構的技術特征可以概括為：1）與傳統懸掛結構的主-子結構體系不同，將整體結構懸掛于剛性基礎上，可認為剛性基礎（名義主結構）的剛度無限大，不考慮主-子結構的相互作用；2）通過懸掛上部結構的隔震方式，降低了上部結構受到的地震作用，獲得隔震效果；3）由結構自身重力提供恢復力，實現地震作用下的自復位；4）在上部結構和剛性基礎之間設置黏滯阻尼器，對結構整體位移進行控制，同時起到耗散地震能量的作用.

1.2 隔震層力學模型

基底懸擺隔震結構通過吊桿將上部框架懸掛于剛性基礎上，當不設阻尼器時，整個懸擺系統的運動類似單擺擺動.對懸掛隔震層進行簡化，其力學模型如圖3所示.