第２６卷第１期 安徽工程大学学报 Ｖ０Ｉ．２６．Ｎ０。ｉ ２０１１年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍａｒ．，２Ｏｌ１ 文章编号：１６７２２—４７７（２０１１）０１—０００１—０４ 建筑结构基础隔震应用研究 干 洪 ，杨一振 （１．安徽工程大学，安徽芜湖 ２４１０００；２．安徽建筑工业学院，安徽合肥 ２３００２２） 摘要：利用大型结构有限元分析软件ＳＡＰ２０００对采用基础隔震框架结构在不同地震波作用下进行了动力时 程分析。分析了基础隔震结构在地震作用下的位移、剪力，并与未隔震相同结构建筑的位移、剪力进行了对比． 以评断隔震结构的减震效果，得到一些有意义的结论．结果表明，隔震结构在罕遇地震作用下仍处于弹性工作 状态，具有优越的抗震性能． 关键词：基础隔震；时程分析；ＳＡＰ２０００ 中图分类号：ＴＵ３儿．３ 文献标识码：Ａ 传统抗震设计的重点在于发生中小地震时能够维护建筑物的功能，保证财产和人身安全；在发生罕遇 大地震时，防止建筑物倒塌，保护人类生命的安全．后一情况下由建筑物自身维持结构的竖向支承功能，吸 收地震输入的能量，并容许混凝土产生裂缝和钢材屈服．很多情况下，建筑物内过大的加速度、速度和层间 变形会使建筑物内部遭到破坏，且地震后存在残余变形，因而难以维持建筑物的功能，震后的维修费用也 会增加很多．隔震结构与传统的抗震结构相比具有以下特点：①提高了结构的地震安全性及舒适感，因为 隔震结构的层间剪力比可达到传统抗震结构的０．２２～Ｏ．３６［１ ；②有效防止了非结构构件破坏及建筑物内 物品的振动、移动和翻倒破坏；③从油头、广州、西昌等地隔震建筑的相关分析表明，对于建造在高烈度地 震区的高层建筑，并且采用钢筋混凝土框架结构或者框架剪力墙结构，当采用隔震技术后，在上部结构和 隔震层设计合理的情况下，建筑物不但提高了其可靠度，而且整个建筑的造价可降低ｌ ～５ ；④采用隔 震技术后，对于建筑物的平面设计就比较灵活了，可以满足不同的建筑造型；⑤可以保持地震后室内仪器 和设备的正常使用功能 Ｊ． ｌ基础隔震结构的应用范围 隔震体系通过延长上部结构的自振周期来减小结构水平地震作用，即减小上部结构的损坏，从而达到 减震效果，保证建筑物的安全可靠使用，其隔震效果与结构的高度、体型、刚度、变形情况、场地条件等因素 有关 ］．因此，从减震效果考虑，采用隔震建筑时最好满足以下的几个条件：①尽量选在场地土比较坚硬的 场地上，如Ｉ、Ⅱ、Ⅲ类场地，因为软弱地基对于隔震建筑来说，输入地震动时会使上部结构的振动周期较 长，增加上部结构的破坏，不利于结构减震；②隔震建筑的结构不宜过高，：过高会使得结构在隔震前周期较 短，而隔震后周期较长，隔震效果就会非常明显，一般要求建筑物的结构高度不超过４０ ｎ ；③由于过大的 高宽比易造成上部结构转动，引起隔震支座受拉，因此要求对于钢筋混凝土结构和钢结构高宽比不大于 ２．５；④为保证隔震建筑在地震作用能够有来回移动空间，隔震建筑与其他建筑物之问至少要有２０ ｃｍ的 距离；⑤隔震装置应设置在基础和上部结构之间，以确保将地震作用最大限度的隔离在结构的外部． ２基础隔震结构设计 ２．１ 设计要点 （１）上部结构设计．对隔震建筑上部结构设计时，除地震作用荷载外，其他的荷载跟抗震结构的荷载计 算相同．地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用，水平地震作用大小可用水平地震影响系数表示，其 最大值为设防烈度下水平地震影响系数最大值和水平减震系数的乘积．一般情况下，对多层建筑，水平向 减震系数为按弹性计算所得隔震各层层问剪力最大比值．对高层建筑结构，还应计算隔震与非隔震各层倾 收稿日期：２０１０－Ｉ１－３０ 基金项目：芜湖市科技计划重点基金资助项目（２００８７０２） 作者简介：干洪（１９５４一），男，安徽庐江人，教授． ・２・ 安徽工程大学学报 第２６卷 覆力矩的最大比值，并与层间剪力最大比值相比较，取两者的较大值．此外，为保证隔震房屋不要减震过 多，使结构设计不安全，《抗震规范》还规定上部结构水平地震作用的最低限：水平向减震系数不宜低于 ０．２５，且隔震后结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在６度设防时的总水平地震作用，各楼层水平 地震剪力还应符合最小地震剪力系数规定［４］．对隔震结构竖向地震作用可参照《抗震规范》相关要求． （２）隔震层设计．在隔震支座选好，并通过设计软件进行动力分析满足隔震的预期减震效果后，还要对 隔震层进行隔震支座抗震验算、隔震支座的连接，以及与隔震处理有关的建筑构造设计．这些程序不能缺， 因为它的好坏直接关系到建筑安全和隔震效果，所以在设计隔震结构的过程中应引起高度的重视． （３）基础设计．按照《通则》的要求，基础的设计计算按设防烈度进行即可，与抗震结构的计算相同，不 过对地震后隔震建筑的震害反应分析知道，地基的液化对建筑的破坏还是很大的，因此《抗震规范》规定在 进行隔震建筑地基基础的验算和地基处理时，应按照该地区抗震设防烈度进行，在确定液化等级时，对于 甲、乙类建筑，抗液化措施应提高一个等级Ｌ５］． ２．２基础隔震结构的时程分析法 《规范》１２．２．２节第２条规定建筑结构基础隔震设计的计算分析宜采用时程分析法进行计算【６］．时程 分析法本质上还是通过对结构基本运动微分方程的求解，得到的关于结构在动力荷载作用下的位移、速度 和加速度响应大小的一种方法，他是将动力作用以时间函数的形式引入到运动微分方程中，再通过相应的 积分方法得到的关于结构在每一时刻的响应及其变化情况，隔震结构在地震作用下的受力情况，屈服机理 以及楼层的变形等在时程分析法中得到了较好的反应，事成分析法在隔震结构的动力作用分析和计算中 应用非常的广泛．隔震结构采用时程分析法计算时，计算模型宜采用多质点模型，用线弹性模型来模拟上 部结构，同时采用双线性恢复力模型来模拟层数多且高度很高的结构，至于隔震层则可以根据不同情况采 用线弹性或双线性恢复力模型来模拟．本文在ＳＡＰ２０ＯＯ模型中所使用的时程分析积分方式为模态积分 （ＦＮＡ一陕速非线性分析方法），其具体的计算过程参照参考文献ＥＴ］第２０章非线性动力分析． ２．３ 隔震层的设计与验算 （１）隔震支座的布置．为了避免上部结构在受力和传力过程中发生扭转，要求隔震支座的刚度中心与 上部结构的质量中心尽量重合，同时隔震支座的布置也要跟整个建筑物结构的竖向受力构件的平面位置 相对应，而且考虑到安全、经济，隔震支座应设置在受力较大的位置，隔震支座之间的间距也不宜大于 ２．０ ｍ，其规格、数量和分布根据计算结构的竖向承载力、侧向刚度和阻尼来确定． （２）隔震支座竖向承载力验算．根据规定，隔震支座在所有可计算荷载作用下的竖向平均压力设计值 不应超过规范所规定的限值，并要求隔震层在罕遇地震作用下具有很好的稳定性，不宜出现不可恢复的变 形、拉应力等． （３）在罕遇地震下隔震支座水平位移验算Ｌ６］．根据《抗震规范》的规定，隔震支座在罕遇地震作用下的 水平位移应满足“ ≤［乱 ］，“ 一刀ｌ“ 的要求．式中“ 为第ｉ个隔震支座在罕遇地震作用下考虑扭转时的水 平位移；［“ ］为第ｉ个隔震支座水平位移限值，取不超过该隔震支座有效直径的０．５５倍和该支座橡胶总厚 度的３．０倍二者中的较小值；／，／ 为罕遇地震作用下隔震层质心处或不考虑扭转时的水平位移；７／ 为第ｉ不 个隔震支座的扭转影响系数，取考虑扭转和不考虑扭转时ｉ支座计算位移的比值；当隔震层以上结构的质 心与隔震层的刚度中心在两个主轴方向都没有偏心时，边支座的扭转影响系数不应小于１．１５． ３ 工程算例 ３．１ 工程概况 为说明隔震结构在地震作用下相比于抗震结构有明显的减震效果以及探讨在地震作用下的减震规 律，本算例就某８层（其中地下１层）框架宿舍楼为例利用有限元分析软件ＳＡＰ２０００进行数值模拟分析， 该宿舍楼总高度２６．２５ ｍ，１～７层３．１５ ｍ，８层４．２ ｍ，上部结构为全现浇框架结构，楼盖为普通梁板体 系，基础采用人工成孑Ｌ灌注桩．高宽比为１．７８．丙类建筑，设防烈度为８度，设计基本加速度０．２０．场地类 别Ⅱ类，设计分组第２组，不考虑近场影响．本例首先运用结构设计软件ＰＫＰＭ建立与隔震结构完全相同 的抗震结构模型，得出结构各柱底最大轴力设计值，以此作为隔震支座的轴力设计值的依据，再根据《建筑 抗震设计规范》丙类建筑的隔震支座的竖向平均压应力设计值不应超过１５ Ｍｐａ，来确定所选隔震支座的 第１期 干洪，等：建筑结构基础隔震应用研究 型号和数量，并利用得出的上部结构重量和侧移刚度计算的结构不隔震时的基本周期为０．９２２ Ｓ．然后采 用大型有限元分析软件ＳＡＰ２０００分别建立同一建筑物的抗震结构模型和隔震结构模型．在计算过程中假 定上部框架结构处于弹性变形状态，只考虑隔震支座的弹塑性，隔震支座采用叠层橡胶支座． ３．２隔震支座布置与选型 该隔震建筑的隔震支座设置在地下室柱的顶部，将上部结构与下部结构隔开，每根框架柱下都设置隔 震支座，隔震支座的形心与地下室的截面形心、承台截面形心及上柱的截面形心重合，采用不同型号的隔 震支座时，其顶面标高相同忉．根据隔震支座的设计参数，最终确定采用的隔震支座型号为ＧＺＹ５０ＯＶ４Ａ， ＧＺＹ６０ＯＶ４Ａ和ＧＺＹ７０ＯＶ４Ａ，相关参数性能采用厂家提供的产品性能参数．隔震层设置如图１所示． ＺＹ５ｏ０、 ｚＹ６００ｖ４＾ ＧＺＹ７∞Ｖ４Ａ ＺＹ７ＯＯＶ４＾ ＧＺＹ７００Ｖ４Ａ （ Ｙ７００Ｖ４Ａ ｌｌｌＩ５ ４．０７ ｌ４．０Ｉ ｌ４ ０４ １３ ８６ ｌ２．ｏ２ １６ ３ ， ＺＹ６０ ～ Ｌ （￡ ５００ｖ４ ６３ ，４ 垂 ； ５００Ｖ ＾…～…． Ｃ ＇．Ｙ７００Ｖ４Ａ Ｃ： Ｙ７００Ｖ４Ａ Ｃ７ ｔ＇７００Ｖ４＾ Ｃ Ｙ７ ）Ｖ４Ａ ｌ ＺＹ７００Ｖ４Ａ （： ）【１Ｖ４＾ １，８…７”…“ （Ｉｌ＇ ｌｌ ｔ３ ｌ Ｉ４ Ｉｌ ｌ ｎ １２．４ ｌ ＩＪ 、 ， ， ２： ， ； ｌ１・ ｊ０（Ｖ４Ａ ＣｌＺｌ ） ｌＭ】Ｖ ： ￣ｏｖ４＾ ｃｚｆＩ ￣， ０Ｖ４Ａ Ｇ！Ｚｔ， ０ Ｖ４Ａ Ｇ ￣Ｉ ｋ ）ＯＶ４Ａ ｃｌｚＩ＿ｆ＾ Ｈ１ ＩＯＶ４Ａ ｃ¨ｚ ， ‰ ４Ａ ｃｆ２ｚ Ｙ０ ＾６ １ １‘：３ｚ ｏ‘ ｖ４ Ｉ● Ｊ ‘： ５００’ Ｉ２ ６ ｌ５ ＺＹ５ｆＩｆ】Ｖ４Ａ （：ＺＹ７Ｏ０Ｖ４Ａ ：ＺＹ７００Ｖ４Ａ ；ＺＹ５００％ 。．９ｒ ＳｏｏＶ ＾１ｌｃｚＹ６２ ３４ ｏ０、１４Ａ ３ ９９ ｊｌ ３ ９９ －Ｉ４ ｔ ６４ ＺＹ 、。。ｖ４＾￡ Ｉｎ婚 ９，５２ Ｊ ■ ７．０Ｒ ｃｚ ｔｏＶ４Ａ。 ２ ９ ４３ ３ ６Ｏ０ ２ ４ｍ ７ ２００ ７ ２ｍ １２ ｍｎ 说叫：第１行数字代表各隔震橡股支座型 ；第２行数字代表隔震义座竖向平均压应力．单位：Ｍｐａ； ３行数字代表支墩号． 图１ 隔震层平面布置图 ３．３ 计算分析 对该隔震建筑选用两条实际强震记录和一组人工模拟加速度时程曲线，分别选取１９４０年Ｅ１一Ｃｅｎｔｒｏ 波、１９７６年唐山波（Ｎ－Ｓ分量）和一组人工模拟地震波，加速度峰值取多遇７０．０ ｃｍ／ｓ。，采用时程分析法进 行隔震和抗震计算． （１）框架结构体系的模态分析．采用ＳＡＰ２Ｏ００对两种结构体系进行前１２阶的自振频率的模态分析， 得出各结构前１２阶自振周期如表１所示．由表１可以看出，跟抗震结构相比，相同条件下采用隔震结构的 自振周期要比抗震结构的自振周期提高很多．表中抗震结构的第一自振周期为０．８２７ ９９７ Ｓ，而采用基础 隔震后，结构的第一自振周期提高为１．２０２ ０９７ Ｓ，相比之下自振周期增加了４５．２ ９／５．模态分析下的计算结 果表明，相对于抗震结构，隔震结构能较好的延长了结构的自振周期，从而避开场地的卓越周期，减轻了地 震作用对建筑物的损伤程度． 表１ 抗震结构与隔震结构自振周期对比 Ｓ 振型序号 抗震结构 隔震结构 振型序号 抗震结构 隔震结构 振型序号 抗震结构 隔震结构 １ ０．８２７ ９９７ １．２０２ ０９７ ５ ０．２６２ ３５５ ０．２６７ ５Ｏｌ ９ ０．０９４ ２２ｌ ０．０９３ ８０５ ２ ０．７９５ ３９７ ０．８ｌ７ ｌ２２ ６ ０．１８１ ７０５ ０．１８８ ６５４ １０ ０．０８２ ４７７ ０．０７９ ８４９ ３ ０．７４４ ３１６ ０．７３６ ３１５ ７ ０．１５３ ２８５ ０．１７５ ８１５ １１ ０．０８０ ２８９ ０．０７８ ６９７ ４ ０．２７１ ０３ ０．３５３ ６５５ ８ ０．１５０ ５０８ ０．１５１ １５３ １２ ０．０５３ ２５６ ０．０５３ ００８ （２ 动力时程分析．利用３组地震波作用后的结果采用平均值比较抗震结构与隔震结构的楼层最大剪 力对比．由表２可以看出，在多遇地震波作用下，采用基础隔震后结构的底层楼层剪力值由７ ８９７ ｋＮ减小 至２ ８６２ ｋＮ，减小了６３．７６ ，基础隔震层以上其他各楼层剪力值变化均匀，均小于传统抗震结构．利用３ 组地震波作用后的结果采用平均值比较抗震结构与隔震结构的楼层层问位移对比．由表３可以看出，在多 遇地震波作用下，抗震结构的最大层间位移值为１５．９１ ｍｍ，基础隔震为２．２８３ ＩＴ￣ｍ，位移值减小了 ８５．６７ ．采用隔震装置后，楼层层间位移值均有所减小，各隔震框架楼层位移集中于隔震层，为 ５６．５５ ｎｌｍ，支座水平位移集中了隔震层位移值的９０ 以上． 采用基础隔震技术后，建筑物的自振周期得到了有效地延长，使隔震建筑的自振周期远离场地的特征 ・ ４・ 安徽工程大学学报 第２６卷 周期，从而避开地震主要携能频带，能使结构在大震作用下仍处于弹性工作阶段；增设隔震装置后，结构第 一振型起决定性作用，而第一振型中的各楼层层间剪力很小，所以楼层的相对错移很小，因此可大大减少 抗震措施，降低造价，采用隔震技术后将大大减轻地震对建筑物损失，带来了巨大的经济效益和社会效益， 尤其是民生工程，其优越性得到更大的体现． 表２时程分析上部结构层剪力值 参考文献： 版．２００９．２４（３）：１—５ ［１３ 千洪．张德玉．框架隔震结构简化设计方法研究与应用［Ｊ］．安徽工程科技学院学报：自然科学 ［２］ 日本建筑学会．隔震结构设计［Ｍ］．北京：地震出版社。２００６． ［３］党育，杜永峰，李慧．基础隔震结构设计及施工指南［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００７． ７６１—７６５． ［４］于洪，高飞．建筑结构隔震体系的动力反应［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，２００４，２７（７）： ４． ［５］焦秀平．叠层橡胶支座基础隔震结构设计方法及工程应用［Ｊ］．甘肃科技，２００９．２５（８）：１０２—１０ ［６］ＧＢ５００１ｉ一２０１０建筑抗震设计规范Ｉｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１０． ［７］北京金土木软件技术有限公司．ＳＡＰ２０００中文版使用指南［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００６ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｂａｓｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＧＡＮ Ｈｏｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｙｉ—ｚｈｅｎ。 （１．Ａｎｈｕｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈｕ ２４１０００，Ｃｈｉｎａ ２．Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｈｅｆｅｉ ２３００２２．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＳＡＰ２０００ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｉｍｅ－ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｖｅｓ．Ｔｈｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｓｏ一 １ａｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。ｉｎｅｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｆｌｏｏｒ，ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈｏｕ ｔ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎ ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｓｏｍｅ ｕｓｅｆｕｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｅａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉ０ｒ ａｎｄ ｒｅｉｄ－ｄｎｓ ｉｎ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔａｔｅ ｔｉｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｅｌｄｏｍ－ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂａｓｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＳＡＰ２０００