层间隔震结构的地震响应分析

[摘要]层间隔震技术是在基础隔震技术的工程实践应用中发展起来的一种新型隔震结构形式。提出了碟形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座，针对一个大跨框架结构实例，用SAP2000软件建立非隔震结构和设有复合隔震支座的层间隔震结构有限元分析模型，结果表明，采用碟形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座进行结构的隔震控制，不仅对建筑结构的水平地震反应能够起到良好的控制作用，减少地震能量向上部结构传递，降低上部结构的地震反应，而且对建筑结构的竖向地震反应也能起到一定的控制作用，降低上部结构的竖向地震反应。

[关键词]层间隔震；碟形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座；地震响应

中图分类号：TU352.1+2 文献标识码：A 文章编号：

引言

层间隔震是将隔震层设置在结构基础之上的某一层柱顶，对结构进行地震反应控制的建筑结构，目前，层间隔震的研究仅仅是考虑了水平地震作用[1] [2]，竖向地震动的影响被忽略。大量地震震害表明，竖向地震对结构的影响是不能忽视的，它的作用有时超过水平地震。如1994年的美国Northridge地震，1999年的台湾集集地震和土耳其地震等，在近震中或发震断层附近都产生了较强的竖向地震动，其中有一些竖向加速度峰值超过了水平加速度峰值。对于隔震结构的竖向隔震问题，国际上也已开展了一定的研究，Asano[3]等人考察了橡胶垫隔震层在Kobe地震下对结构竖向和摇摆振动的隔震作用。Lew和Hudson[4]等人在分析了一些实际结构的实测竖向地震反应记录之后指出，较大烈度的竖向地震不会对隔震结构造成危害。应该看到，他们的研究虽有价值，但并不全面。首先，橡胶隔震垫主要是根据水平隔震的要求而设计的，它的竖向刚度和阻尼不满足竖向隔震的要求。其次，隔震结构的竖向地震反应加大了隔震支座的竖向力，增加了隔震层失稳的危险性，并有可能使上部结构柱产生较大的轴向地震力，从而导致结构柱总的轴压比超过允许值，这是导致结构破坏的潜在因素。

为此，进一步开展隔震建筑结构隔震技术的研究是十分必要。提出了碟形弹簧-铅芯橡胶垫复合隔震支座，对于层间隔震结构，在隔离水平地震作用向上部结构传递能量的同时，也考虑了竖向地震作用的影响。

复合隔震支座

碟形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座，它由铅芯叠层橡胶垫和碟形弹簧串联组成，铅芯橡胶支座具有较小的水平刚度，竖向刚度远大于碟形弹簧的竖向刚度，并为后者的若干倍；碟形弹簧的水平刚度远大于铅芯橡胶支座的水平刚度，并为后者的若干倍。因此，在水平地震作用下，主要由铅芯橡胶支座起隔震作用；在竖向地震作用下，主要由碟形弹簧起隔震作用，其基本构造如下图1所示。

图1复合隔震支座基本构造

计算模型建立

为了探讨碟形弹簧-铅芯橡胶垫复合隔震系统对结构地震反应的减震效果和规律，以一个五层框架结构为例进行仿真分析，柱截面为800×800mm，纵向梁为300×800mm，横向梁为300×700mm，底层层高为4.4m，其余各层为3.9m，混凝土强度等级C30，抗震设防烈度为8度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组。在四层每个柱顶设置了碟形弹簧-铅芯橡胶垫复合隔震支座，其形心与柱截面形心重合，碟形弹簧的外径D=450mm，内径d=227mm，δ=25mm，h0=11mm，采用4个碟形弹簧叠合，然后五次对合的复合组合方式。铅芯橡胶支座的有关参数见表1所示。

表1铅芯橡胶支座参数

采用SAP2000建立其三维有限元模型。模型中的梁、柱采用梁单元模拟；复合隔震支座采用SAP2000中的Link单元模拟，将其在三个方向上的力学性能等效线性化：罕遇水平地震时，隔震支座的等效弹性参数取剪切变形为250%时的等效水平刚度和等效阻尼。竖直方向上的刚度值根据计算所得。文中按8度地震烈度下罕遇地震作用隔震结构的隔震效果选用Taft波进行地震时程分析。在SAP2000有限元分析程序中建立的三维仿真模型如图2所示。

图2三维仿真模型

地震响应分析

4.1抗震结构和隔震结构水平地震响应

在双向水平地震的作用下，模型结构在地震波作用下的结构相对加速度、层间位移、层间剪力的幅值反应，分别如表2~表4和图3~图4所示。表中反应比定义为抗震结构地震反应幅值与隔震结构地震反应幅值的比值。

1）结构顶层加速度反应

表2罕遇地震Taft波x、y向输入顶层加速度幅值

罕遇地震顶层加速度时程曲线图3所示。

(a) x向加速度时程

(b) y向加速度时程

图3罕遇Taft波x、y向输入顶层加速度时程反应

2）结构各楼层层间位移反应

表3罕遇Taft波双向水平输入抗震结构与隔震结构层间位移幅值

(a) x向层间位移 (b) y向层间位移

图4罕遇Taft波x、y向输入层间位移反应

3）抗震结构和隔震结构层间剪力反应

表4罕遇下Taft波双向水平输入抗震结构与隔震结构层间剪力幅值

4.2抗震结构和隔震结构竖向地震响应

1）罕遇竖向地震下结构反应

罕遇竖向地震作用下抗震结构与隔震结构层间位移、加速度和轴向力的地震反应见表5。

表5罕遇Taft波竖向输入抗震结构与隔震结构反应对比

罕遇地震作用下结构顶层加速度反应如图5所示。

图5罕遇Taft波竖向输入顶层加速度时程

结论

（1）在双向水平地震作用下，采用碟形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座的隔震结构各楼层相对加速度幅值均比抗震结构相应楼层加速度幅值有所减少。抗震结构与隔震结构顶层加速度幅值反应比最大为1.46。表明采用的碟形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座能较好的降低结构水平地震反应，具有良好的隔震效果。

（2）在x、y向，隔震结构各楼层层间位移比抗震结构各楼层层间位移都有减小，变形集中在隔震层，从而抑制了水平地震作用向上部结构的传递。抗震结构与隔震结构在顶层层间位移幅值反应比最大为8.44，说明隔震层上部结构基本作整体平动。层间隔震能有效地减小结构的地震位移反应。

（3）抗震结构与隔震结构层间剪力对比情况，由表中数据可以看出，隔震结构可以有效地减小各层间剪力。

4.4抗震结构和隔震结构竖向地震反应结果分析

（4）在竖向地震作用下，隔震后加速度的反应明显比隔震前降低，隔震后加速度幅值比隔震前降低 40%左右。隔震后结构各楼层层间位移比抗震结构各楼层层间位移都有减小，在隔震层以上的上部结构楼层层间位移值相比其他楼层更小，这说明隔震后结构在地震产生的位移主要集中在隔震层，其主要振型表现为上部结构的整体竖向平动。隔震后各楼层轴力比抗震结构也都减小，说明采用碟形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座能够消耗地震能量，减少地震能量向上部结构传递，从而降低上部结构的竖向地震反应，对结构的竖向隔震亦能起到良好的隔震效果。

参考文献

赵昕,叶德传,章萍等.层间隔震房屋振动台试验与分析[J]. 东南大学学报,2002 ,32(增刊) :365－368

赵昕,李杰.层间隔震结构隔震垫的有限元模拟[J]. 建筑结构，2001，31（11）：66－68

Asano K. Matsuda S, Umino R, et al. Dynamic behavior of base isolation system considering vertical component of earthquake excitation[C]. Proc.2 World Conf. on Strut. Control. Kyoto, Japan, 1998:111-118

Lew. M, Hudson M B. The effect of vertical ground motion on base-isolated building systems[J]. Earthquake Spectra, 1999, 15(2):371-375