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叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 摘要 地震是困扰人类的一大自然灾害，减轻因地震造成的生命财产损失的主要途径是： 程抗震。抗 震设计的演变与改进正是人们对抗震设计理论深入研究和科学实践、不断总结和发展的认识过程。 随着经济和社会的发展，对建筑抗震设计的安全性和实用性提出了更为严格的要求，特别是：】：业向 高精度技术发展，采用传统的工程抗震设计方法有时不能适应：j _ = 程实际的需要。为此，各国的地震 i j 程学家开展了隔震、减震的理论研究和工程实践，并取得了迅速的发展。 本文以一幢十二层框架一剪力墙结构作为研究对象，探讨采用基底隔震技术后的减震效果及其 地震反应的特点。为此，借助有限元分析软件a n s y s ，对一框架一剪力强结构进行非线性动力时程 分析。计算中对结构采用杆系模型，对隔震装置采j = 1 双线性弹簧模拟。文中分别考虑不隔震( 传统抗 震结构) 及以铅芯叠层橡胶支座作为隔震装置的基础隔震结构，对其由地面输入e l 。c e n t r o 地震波， 进行了大量的计算分析比较，得出了一些有益的结论：隔震结构采用橡胶垫隔震支座时具有明显的 隔震效果，它能大大减轻结构的水平地震作用。而且隔震结构的基底剪力、位移反应最大值、加速 度反应最大值都远远小于不隔震结构的计算结果。同时，由于上部结构地震作用的减弱，结构本身 的抗震措施可以大大减少。采取隔震措施后，大大降低了造价和改善了房屋的使用功能。 本论文的分析结果，为隔震结构的设计和普及提供了理论依据，对其它隔震结构的设计、分析 有一定的参考价值，同时由于采用了空间分析模型，与假设条件较多的平面分析方法相比具有较大 的优势，为广大的结构设计师提供一定的参考。 最后，对全文的研究工作进行了总结，并讨论了今后需要进一步研究的工作。 关键词：a n s y s ，基础隔震，地震反应，叠层橡胶支座 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应1 i j f 究 a b s t r a c t e a r t h q u a k ei so n eo ft h ed i s a s t e r st h a th a r a s sh u m a nb e i n ga l la l o n g t h em a i na p p r o a c ht oa l l e v i a t e t h el o s i n go fl i f ea n db e l o n g i n gi sa n t i s e i s m i ce n g i n e e r i n gt h ee v o l v e m e n t a n di m p r o v e m e n to f a n t i s e i s m i cd e s i g nj u s ti st h ec e a s e l e s ss u m m a r i z ea n dd e v e l o p m e n tp r o c e s sw er e a l i z e dt h a tw et h o r o u g h r e s e a r c ha n ds c i e n t i f i c p r a c t i c e w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fe c o n o m i ca n ds o c i a l ，t h es e c u r i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo fa r c h i t e c t u r ea n t i s e i s m i cd e s i g ni sr e q u i r e dm u c hr i g o r o u s ，e s p e c i a l l y , t h ei n d u s t r yt ot h e h i g ha c c u r a c yt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ，u s e st r a d i t i o n a lt h ep r o j e c te a r t h q u a k er e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o d s o m e t i m e sn o tt ob ea b l et om e e tt h ep r o j e c ta c t u a ln e e d i nt h i sp a p e r ，t h es e i s m i cr e d u c t i o ne f f e c t i v e n e s sa n de a r t h q u a k er e s p o n s eo fb u i l d i n gw i t hat w e l v e s t o r i e sf l a m e s h e a rw a l ls t r u c t u r ea d o p t i n gb a s es e i s m i ci s o l a t i o ni ss t u d i e d af i n i t ee l e m e n ta n s y s p r o g r a mu s e dt od y n a m i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i si sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r o ft h en o n l i n e a r s t r u c t u r e b e a m c o l u m ne l e m e n t sm o d a la n db i l i n e a rs p r i n gi su s e dt od e s c r i b et h em e c h a n i cc h a r a c t e ro f b o u o mf l a m es t r u c t u r e a n dab u i l d i n gw i t hb a s e m e n ti s o l a t i o n ，i sa n a l y z e da sae x a m p l ei nt h i sp a p e r t h e e i c e n t r oe a r t h q u a k ew a v ei si n p u t e do nt h es t r u c t u r es o m eu s e f u lr e s u l t sa r eo b t a i n e dt h r o u g hl o t so f c o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h er e s e a r c hr e s u l t si l l u s t r a t et h a tb a s ei s o l a t i o ns t r u c t u r ec a nr e d u c et h eh o r i z o n t a l e a r t h q u a k er e s p o n s eo fs u p e r s t r u c t u r ee f f e c t i v e l yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n i q u e t h i sm e t h o di sv e r y e f f e c t i v e ，b a s es h e a r , f l o o rd e f o r m a t i o n ，a c c e l e r a t i o no fi s o l a t i o ns t r u c t u r ei si e s st h a nn oi s o l a t i o ns t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，b e c a u s eo fs u p e r s t r u c t u r e s e i s m i cf u n c t i o n a r yd e c r e a s e ，s e i s m i cm e a s u r ei sl e s st h a nn o i s o l a t i o ns t r u c t u r ed i s t i n c t l y s oa d o p t i n gt h e s e i s m i c m e a s u r e ，a c c o r d i n g l yo b t a i nl o w e rb u i l d i n g p r i c ea n di m p r o v e dh o u s eu s e f u lf u n c t i o n t h i sa r t i c l e a n a l y s i sr e s u l th a sp r o v i d e dt h er a t i o n a l e f o r t h ed e s i g na n dp o p u l a r i z a t i o no ft h e f r a m e s h e a rb a s ei s o l a t i o ns t r u c t u r e ，s e p a r a t e dt ot h ed e s i g no fo t h e rb a s ei s o l a t i o ns t r u c t u r e s ，t h ea n a l y s i s h a st h ec er t a i nr e f e r e n c ev a l u e ，a tt h es a m et i m eb e c a u s ei th a su s e dt h es p a t i a la n a l y s i sm o d e l ，c o m p a r e d w i t ht h es u p p o s i t i o nc o n d i t i o nm a n yp l a n e sa n a l y s i sm e t h o dh a st h eb i gs u p e r i o r i t y , p r o v i d e dt h ec e m a i n r e f e r e n c ef o rt h eg e n e r a ls t r u c t u r e sd e s i g n e r a tl a s t ，t h er e s e a r c hw o r ka r eg e n e r a l i z e da n dt h ep r o b l e m sw h i c hn e e df u r t h e rs t u d yi nt h ef u t u r ea r e d i s e t u s s e d k e yw o r d s ：a n s y s ，b a s ei s o l a t i o n ，s e i s m i cr e s p o n s e ，l a m i n a t e dr u b b e rb e a r i n g s 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是在我导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示谢意。 研究生签名：王文斌时间：2 0 0 6 年6 月12 日 学位论文版权授权书 本人完全7 解石河子大学有关保留、使用学位论文的规定学校有权保留学位论文并向 国家主管部门或指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于赢利目的的少量 复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据进行检索。有 权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 时间：20 0 6 年6 月12 日 时间：抄拜月，。目 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 第一章绪论 11 论文选题的背景 地震是一种严重威胁人类生命、财产安全的自然灾害，抗震一直是结构工程领域的 重要课题。传统的抗震结构体系是通过增大结构刚度的方式来抗御小震作用的。而在大 震下，需要利用结构的延性来消耗地震能量。地震作用具有很强的不确定性，人们尚不 能准确地估计结构未来可能遭遇地震的强度和特性。当结构所承受的地震作用力超过一 定限度后，传统的抗震结构不但不经济，而且很可能不满足安全性的要求。外部地震激 励稍大，就会使结构付出塑性变形和构件损伤的代价。由于传统抗震结构不具各自我调 节与实时控制的能力，遭遇到稍大一些的地震，结构往往会产生严重破坏，甚至倒塌， 造成重大的经济损失和人员伤亡。此外，随着建筑功能的现代化，医院和通讯中心等建 筑物内配备了越来越多的高灵敏度、价格昂贵的设备。采用传统抗震结构，即使结构本 身不倒塌，建筑物内的贵重设备在中等加速度水平的地震作用下就可能无法正常发挥功 能，在稍高水平的地震激励下，甚至会产生永久的破坏。全世界每年平均发生破坏性地 震近千次，其中震级达7 级或7 级以上的大地震约十几次。1 9 7 6 年7 月2 8 日唐山大 地震( 7 8 级) ，在1 0 多秒内把一座百万人口的工业城市毁为一片废墟，死伤4 0 余万人， 震惊中外“3 。1 9 9 5 年1 月1 7 日日本阪神大地震( 7 2 级) ，给神户市及其附近的芦屋市、 西宫市、淡路岛等地区，造成了极其严重的破坏，近1 0 万幢房屋被摧毁，另有l o 万幢 房屋遭受了程度不等的破坏，高速公路及桥梁整线倒塌，交通通信、供水供电中断，死 亡5 0 0 0 多人，3 0 万人无家可归，经济损失达10 0 0 亿美元”。1 9 9 9 年9 月2 1 日我国 台湾集集地区发生7 3 级强烈地震，造成5 万l 千多幢建筑全部倒塌，5 万3 千多幢建 筑部分倒塌，死伤l 万3 千多人，地震区断层沿线约8 0 公里发生隆起与平移，隆起最 大约l o 公尺，平移最大约5 公尺5 “。由此可见，加强地震灾害的防御是重大的科研课 题，对于土木工程而言，如何设计建筑物，使其在地震作用时能够有效地抵御地震灾害， 以及如何有效地控制建筑物的振动，使其不受或者减小破坏从而降低地震灾害，具有重 要的政治意义和经济价值。 纵观百年结构抗震发展史，一般都是采用增强结构的承载力和变形能力来抗御地 震。即所谓的“抗震结构”，其抵御倒塌是依靠结构主要构件开裂损坏和吸收地震能量 来实现的。结构抵御地震的技术方法演变依次经历了四个时期：刚性结构体系，柔性结 构体系，柔性底层结构体系，延性结构体系。 目前我国和世界各国普遍采用的是“延性结构体系”。这种方法在很多情况下是有 效的，它的设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。在进行建筑结构抗震设计 时，原则上应满足三水准抗震设防目标的要求，在具体作法上，建筑抗震设计规范 ( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 采取了两阶段设计方法，即 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 第一阶段设计：按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能 力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形。以满足第一水准抗震设防目标要求。 第二阶段设计：在大震作用下验算结构的弹塑性变形。以满足第三水准抗震设防目 标要求。 但是，由传统抗震方法设计的结构在强烈地震作用下往往造成破坏和生命财产损 失，这种手段日益不能满足社会进步的要求。而且，随着社会的发展，对建筑物抗震设 计的安全性和适用性提出了更为严格的要求。特别是工业向高精度技术发展，采用传统 的工程抗震设计方法有时不能满足工程的实际需要。所以，根据我国的国情，需在全国 较大的范围内实施抗震设防，需要有一种既安全又经济、适用的新结构体系。于是，结 构控制体系就应运而生了。 1 9 7 2 年，j t r y a o ”3 提出结构控制的概念，开辟了解决工程抗震问题的一个新途径。 结构减震控制，是指在结构的特定部位配置或嵌入某种装置( 如隔震支座，摩擦滑摆等) ， 或某种机构( 如阻尼器、耗能支撑、耗能剪力墙、耗能节点等) ，或某种子结构( 如调谐 质量等) ，或某种施加外力的设备( 如液压作动器等) ，用来改变或调整结构的动力特性， 阻隔、抵消外部地震激励，或耗散已经输入到结构系统中的地震能量，从而合理控制结 构在地震作用下的动力响应。按照是否需要外部能源输入来划分，结构减振控制手段可 分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制等。经过国内外学者三十余年的共同 努力，到目前已经研究开发了多种不同形式的减振控制系统，其中部分装置己经实现了 产业化，并且在日本、美国等一些多震国家率先得到应用。一些减震控制系统在实际强 地震中得到检验，表明采用减震控制手段，不但可以使结构本身免遭损坏，还可以为结 构中的人、仪器、设备、装修等提供安全保护。在有些震例中，一些减震控制结构甚至 能在强地震发生过程中发挥正常的使用功能，而邻近同类建筑的内部设施已经遭到严重 损坏。目前，结构减震控制的研究和应用已经受到各国学者和工程技术人员的广泛关注 与重视，成为结构工程和结构动力学领域最具前沿性的发展方向之一。 从技术方法上来看，结构振动控制技术又可以分为：隔震技术、耗能减震技术、质 量调谐减震技术( t m d 、t l d ) 、主动调谐质量控制技术( a m d ) 、混合控制技术。根据 不同的控制技术和方法，各国工作者开发了各种各样的控制装置，如多种形式的隔震装 置、耗能减震装置、主动或半主动阻尼或者驱动装置、各种各样的拉索或支撑系统等， 这些装置的广泛应用已经证明了振动控制的有效性。目前，有关结构振动控制技术的大 量研究仍在进行，新装置、新材料、新结构不断的涌现并获得应用，人们有理由相信， 现代结构振动控制技术将使人类的抗震防灾工作步入一个新阶段。 1 2 结构控制的概念 结构控制是近二十年来发展起来的一门新兴学科，是土木工程的高科技领域。它是 研究结构动力反应控制的理论、方法和技术的综合性学科。结构控制分为被动控制、主 动控制、半主动控制和混合控制。 被动控制在建筑结构物某部位设置一个附加子系统，或对结构自身的某些构件 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 进行构造上的处理以改变结构体系的动力特性。目前己进行研究的被动控制体系和系统 主要有：( 1 ) 基础隔震技术；2 ) 消能减震技术；( 3 ) 调谐质量阻尼振动控制系统( t m d ) ； ( 4 ) 调谐液体阻尼振动控制系统( t l d ) ；( 5 ) 液压质量振动控制系统( h m s ) 。此外还 有质量泵、拉索系统、悬挂结构体系、多结构联系振动控制系统等。被动控制因其概念 明确、构造简单、造价低、易于维护且无需外加能源支持等优点而引起了广泛关注。目 前，这项技术理论研究和试验研究成果比较丰富和完善，已应用于实际工程中并在几次 大地震中成功经受考验。 主动控制应用现代控制技术，对输入地震力和结构反应实现联机，实时跟踪和 预测，并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的系统特性，使结构的系统性能满足 一定的优化准则，以达到减小或抑制结构地震反应的控制方法。结构主动控制研究涉及 控制理论、结构工程、机械工程、计算机科学等多门学科，是一门交叉学科。主动控制 系统由传感器、运算器和作动器三部分组成，其控制方法可分为开环控制和闭环控制等 类型。目前研究开发的主动控制装置主要有：( 1 ) 主动控制调谐质量阻尼系统( a m d ) ； ( 2 ) 主动拉索控制系统( a t s ) ；( 3 ) 主动支撑控制( a b s ) ；( 4 ) 主动变刚度系统( a v s s ) 等。这种控制方式已取得一定的理论和试验成果，减震效果非常明显有效，并已在少数 工程中试点应用。但在技术上还有一些问题尚待解决，目前尚未步入技术成熟阶段。 半主动控制其控制力也由控制装置自身的运动而被动产生，但在控制过程中控 制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控制力的作用。这种方法 的特点是：能量消耗的速度可以通过调节装置控制，达到了控制力对结构振动的最优跟 踪，大大降低了能源输入，其控制效果与主动控制相近。主要包括：半主动变刚度系统 和半主动变阻尼系统等。这项技术还处于趋向成熟的发展阶段。 混合控制将主动控制与被动控制同时施加于同一结构的振动控制形式。近年来 研究较多的是以被动控制为主，主动控制为辅的主从结合方式。混合控制能够减少单独 使用被动或主动控制系统的局限性，选取控制技术的较优组合，使其协同工作，从而充 分发挥每一种控制形式的长处，以适应系统对最优状态的跟踪，比主动控制容易实施且 经济。目前较为典型的几种混合控制装置是：( 1 ) a m d 与t m d 相结合：( 2 ) 主动控 制与基础隔震相组合：( 3 ) 主动控制与消能减震相组合；( 4 ) h m s 与a m d 相结合等。 其中被动控制技术不需外界能源的输入，具有减震机理明确、容易实现、适应范围 广等优点，因而得到了大规模的应用，并且日臻成熟。 工程结构减震控制的基本方法也是在结构的特定部位装设某种装置，或某种机构， 或某种子结构，或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，从而使工程结 构在地震作用下的动力反应得到合理的控制，确保结构的安全和适用。 现代结构减震控制技术的主要内容可以按照是否有外部能源输入的分类方法分类 如图l 所示，许多学者对这些领域作了大量的研究，发表了一系列的文章。因为都需要 外部能源的输入，在这里把全主动控制和半主动控制统一归结为主动控制范畴”“。 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 工程结构 减震控制 被动控制 ( 无外部能源输入) 主动控制 ( 有外部能源输入) 混合控制 ( 部分能源输入) 隔震 耗能减震 质量调谐( t m d ) 主动质量调谐控制( a m d ) 主动拉索或支撑系统 ( a t s 、a b s ) 主动变刚度( a v s ) 主动变阻尼( a v d ) 智能材料自适应控制 混合主动被动控制 f h m d 、a p m d 等) 到1 按是否有外部能源分类 f i gia c c o r d i n gt ow h e t h e rh a se x t e r i o re n e r g yc l a s s i f i c a t i o n 1 3 国内外研究进展情况 地震每年都要引起巨大的生命和财产损失，多年来己经开发了许多抗震结构设计技 术，以图减轻地震对建筑物、桥梁和各种可能容易损坏的附属设备的影响。隔震技术可以 用来有效地解决这些抗震设计问题，基础隔震则是这一领域新近发展起来且正在不断完善 的一种技术。 迄今为止，有文献说明最早提出基础隔震概念的学者是日本的河合浩藏。3 ，他在1 8 8 1 年提出了“要盖一种在地震时也不震动的房屋”，做法是先在地基上横竖交错几层圆木， 圆木上做混凝土基础，再在上面盖房，以削弱地震能量向建筑物的传递。 1 9 0 6 年，德国的j a c o bb e c h t o l d “”提出主要采用基础隔震技术以保证建筑物安全的建 议。1 9 0 9 年，英国的卡兰特伦次“”“6 1 提出了在基础与上部建筑物间铺一层滑石或云母， 当地震时建筑物滑动，以隔离地震。这几种隔震方案均是在地震工程学尚未出现或萌芽时 期提出的，虽不完全合理可靠，但概念上具备了隔震系统的重要基本要素。 叠层橡脞基础隔震结构的动力反应1 i ；| f 究 1 9 2 4 年，日本的鬼头间三郎。1 提出了在建筑物的柱脚与基础问插入滑动或滚动轴承的 隔震方案。1 9 2 7 年，日本的中村太郎论述了在隔震系统中吸收地震能量的必要性，并提 出了在底柱上端加侧向阻尼器，作为地震时的吸能装置。他对阻尼的认识，正是以前的各 种基础隔震方案所忽视的。 虽然当时的隔震理论概念已经比较清晰，但限于当时的理论和技术水平，基础隔震技 术应用的可能性及优越性未能被人们充分认识和了解。随着近几十年来地震工程和工程抗 震学的发展，大量强震记录的积累，大型实验设备的研制成功，特别是实用隔震元件的开 发取得了重大的进展，基础隔震技术已渐渐从理论探索、试验研究阶段，到了示范应用和 推广使用阶段。 现代基础隔震技术是以垫层钢板橡胶支座和聚四氟乙烯摩擦板的应用为标志的。上世 纪6 0 年代中后期，新西兰、日本、美国等多地震的国家对隔震技术投入大量人力物力， 开展了深入系统的研究，取得了很大的成果。7 0 年代，新西兰学者ris k i n e r 等率先开发 了可靠、经济、实用的铅芯橡胶隔震垫，大大推动了隔震技术的实用化进程。现代最早的 隔震建筑大概是南斯拉夫的贝斯特罗棋小学，采用天然橡胶隔震垫。1 9 8 4 年在新西兰建 成了世界上首座采用铅芯橡胶垫做隔震元件的建筑物。 由于隔震技术的诸多优点，所以自从它面世以来，一直受到工程人员的青睐。我国在 建筑的隔震研究上起步比较晚，但发展非常迅速，并且得到了比较广泛的应用。我国学者 李立早在6 0 年代开始关注基础隔震理论的探索，从7 0 年代末到8 0 年代初进行了砂砾摩 擦滑移隔震的工程试点。进入8 0 年代中后期，隔震技术逐渐受到重视。我国近年来对房 屋基础隔震减震技术的研究、开发和工程试点方面的重点从摩擦滑移隔震机构转到叠层橡 胶垫机构上来。最近几年来进展迅速，取得了丰硕的成果。特别是由于最近发生的几次大 地震以及所造成的损失，国内出现了“隔震热”。1 9 9 3 年广州大学结构抗震研究所周福霖 教授等，在汕头建成一幢用高阻尼叠层橡胶垫做隔震元件的八层框架综合楼，并在1 9 9 4 年夏经历了一次小震的考验，验证了隔震机构的有效性。武汉华中科技大学唐家祥教授等 在河南安阳建成一座采用铅芯叠层橡胶垫隔震的综合楼。1 9 9 3 至1 9 9 4 年，北京中国建筑 科学研究院工程抗震研究所周锡元教授等与西昌市建筑勘察设计院、广州大学合作，在西 昌市建造了若干幢六层砖混住宅楼，采用高阻尼叠层橡胶垫做隔震元件“1 。 目前，国内外已有一些隔震建筑经受了地震的考验。其中最突出的是1 9 9 4 年美国洛 杉矶地震和1 9 9 5 年日本神户地震中，隔震建筑显示了令人惊叹的隔震效果，经受了强震 的检验。1 9 9 5 年1 月日本7 2 级阪神地震中，震区内有两座隔震建筑均未遭受破坏。经 过强地震的考验，隔震技术的可靠性和优越性迸一步为人们所认识和承认”2 。“。 基础隔震技术的应用和发展与隔震装置力学性能的研究及基础隔震结构地震反应分 析理论和计算方法的研究进程息息相关。然而在进行基础隔震结构地震反应分析时，为了 研究的方便，常常采用简化的计算模型和假定，从而忽略许多影响结构地震反应的客观因 素。如在进行基础隔震结构地震反应分析时，常常只采用单向地震动输入，然而由于基础 隔震结构的特殊胜，在多维地震作用下结构的地震反应与单向地震作用时有明显不同，因 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 而须对基础隔震结构进行多维地震反应分析。国内外的众多学者对传统抗震结构的多维地 震反应进行了深入的研究，得出了许多有益的结论。 侯鹏”利用a n s y s 有限元分析软件，对一多层框架隔震结构体系进行地震动力分析， 并分析了竖向地震力对隔震结构的影响，得出了一定的结论。 魏德敏“6 “2 ”采用高层建筑三维有限元分析程序e t a b s ，对基础隔震高层建筑结构进 行了地震反应分析，并与非隔震结构进行对比，表明采用基础隔震可减小高层隔震结构的 水平及扭转地震反应，为在高层建筑中推广基础隔震技术提供了一定依据。 吕西林、朱玉华。”对采用铅芯叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑动支座隔震系统及由 叠层橡胶支座和滑板摩擦隔震支座构成的组合隔震系统的基础隔震房屋模型和基础固定 房屋模型进行了模拟地震振动台试验研究，分析多向地面运动( 水平单向、水平双向、水 平和竖向及三向地震动) 输入时上部结构反应和隔震系统的性能。试验结果表明，水平单 向和双向地震动输入时，结构各层加速度反应放大倍数接近：但竖向地震动对结构反应有 显著影响，在分析中应予以考虑。 杨迪雄”1 1 采用空间杆系层模型对空间非对称基础隔震框架结构进行了多维地震反应 分析，并探讨了隔震层隔震支座的优化配置问题。 j e n n s h i nh w a n g ”2 ”对叠层橡胶支座基础隔震结构进行了在三向地震作用下的振动台 试验研究。试验结果表明，在单向水平地震及双向水平地震作用下，楼层的最大加速度反 应没有较大差别，但在三向地震作用下，竖向地震将会使上部结构的楼层最大加速度反应 显著增大，而对隔震层的加速度反应影响较小：在双向水平地震作用下，最大角部位移出 现时，最大扭转位移对其有较大贡献，最大扭转位移与最大角部位移之间几乎没有时间滞 后的现象。 王彬“利用改进的有限元软件a n s y s 的功能，对一栋7 层框架基础隔震体系在不同 的地震大小和不同场地条件下，考虑土一结构相互作用，进行了地震动力反应分析。 田基丰。”采用空间三维有限元整体模型对框架隔震结构的隔震性能进行了理论分析， 并以实际结构为基础，进行了结构建模。同时采用非线性时程分析法对基础隔震结构进行 了地震反应动力分析，并与传统抗震结构在隔震效果等方面进行了对比分析、研究和探讨。 并对地震波的选取提出一些建议。 n a k a m u r a 3 5 - 3 7 通过对叠层橡胶支座基础隔震单层结构的试验研究，认为：对于叠层橡 胶支座隔震结构，当上部结构和隔震系统的偏心距适中时，扭转反应较小或可忽略不计。 但由于所采用的结构的扭转刚度较大( 扭转振动频率与水平振动频率的比值为1 7 ) ，因 而，上述结论仅局限于扭转刚度较大的基础隔震结构。 1 4 橡胶支座隔震的基本原理和优点 传统的抗震结构是通过增强结构本身的性能来抵御地震作用的，即由结构本身来存储 和消耗地震能量，以满足结构抗震设防要求。但由于人们尚不能准确地估计结构未来可能 遭遇的地震的强度和特性，而按传统方法设计的结构，其抗震性能不具备自我调节与自我 控制的能力，因此在这种不确定性的地震作用下，结构很可能不满足安全性的要求，而产 6 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 生严重破坏，甚至倒塌。隔震结构的本质就是使结构或结构部件与可能引起的地面运动或 支座隔离开来，在许多的应用中，隔震装置是安装在结构下面，即基础部位，称为基础隔 震。隔震结构的基本目的，就是要大大减小传到结构上的地震作用和能量。橡胶支座很好 的满足了这一要求，一方面在竖向支承建筑物的重力，另一方面提供一定的水平刚度，延 长建筑物的基本周期，以避开地震输入的高能量频段，并具有大变形的能力和自复位能力。 即当地面地震运动很强烈时，结构内部也只发生中等程度的运动。另一方面，橡胶支座的 刚度减小和阻尼增加能使结构隔离较大的地震。隔震结构可以减小传入上部结构的地震作 用和位移及加速度反应。与传统的建筑结构相比，隔震结构具有如下特点及优越性： ( 1 ) 从抗震概念及途径上讲，传统的抗震体系是“硬抗”的旧概念，即加强结构来进行 抗震；而隔震体系是“以柔克刚”的新概念，即调整结构的动力特性来隔震；结构隔震体 系能有效减震，建筑结构设计不受太多限制，检测修复方便； ( 2 ) 从设计依据上讲，传统抗震体系按预定烈度进行设计；而隔震体系考虑突发性且烈 度大的地震设计，结构隔震体系在设计上能确保安全； ( 3 ) 从防护对象上讲，传统抗震体系只考虑结构本身，结构隔震体系则既保护结构，也 保护结构内部的设备、仪器等，隔震结构能满足现代社会要求； ( 4 ) 从适用范围上讲，传统抗震体系一般用于新设计的建筑结构；而隔震体系既适用于 新建筑结构物，也适用于旧建筑的抗震改良，结构隔震体系适用范围广。 一个好的橡胶支座隔震结构可以满足以下要求：具有简单明了的设计，并且维护费用 低廉，在5 0 年甚至更长时间的结构使用寿命期限内的任何时候，即使在没有事先预报的 情况下，也能在5 1 0 5 次的强震过程中发挥令人满意的作用。”1 。 目前己经研究开发的各种隔震技术中，叠层橡胶支座隔震技术己逐渐得到越来越多的 应用。在国内外应用于建筑结构、桥梁、设备等隔震工程中，绝大多数都采用叠层橡胶支 座隔震技术，叠层橡胶支座隔震技术的优点主要体现在下述几个方面： ( 1 ) 具有足够大的竖向力，用它作为建筑物的竖向承载构件非常安全； ( 2 ) 叠层橡胶技术的刚度和阻尼非常稳定，理论计算和实验值与现场实测值比较吻合。 所以可以通过设计计算较准确地控制强地震时结构的地震反应； ( 3 ) 水平变形能力大，在其水平剪切变形小于3 5 0 时，支座不会发生剪切破坏。 ( 4 ) 具有稳定的弹性复位功能，在地震停止后能迅速自动复位； ( 5 ) 构造简单、安装方便，叠层橡胶支座集水平滑动、阻尼和弹性回复力等功能于一身， 在工程中只要根据设计结果从生产厂家购买一定规格和性能的橡胶支座，施工时安装即 可，在工程应用上现实可行。 ( 6 ) 耐久性好。国内外己有实验证明其低周疲劳性、抗热老化、抗臭氧化、耐酸性、耐 水性、耐低温性均很好，使用寿命较长。 15 研究的意义和内容 结构采用橡胶垫隔震体系及增设隔震构造措施后，隔震层虽然增加了一部分建筑造 价( 约土建总造价的i 0 ) ，但由于上部结构的地震作用大大降低，从而节约了材料，简化 叠层橡胶基础照震结构的动力反应研究 了施工和构造措施，又能减少一部分造价，故总造价相差不大，甚至于有可能降低。据国 外经验统计表明，采用橡胶垫隔震时，上部结构造价可降低5 一1 5 ；据国内经验，可降低 5 - 2 0 ，设防烈度越高的地区，经济效益提高越明显“。 从长远来看，橡胶垫隔震房屋带来了很大的间接经济效益和社会效益。橡胶垫隔震结 构提高了其在地震作用下，特别是强震作用下的可靠度，提高了建筑物在地震下的使用功 能要求，减少了生命财产损失和震后修复重建的代价以及次生灾害的损失，其效益是难以 估计的。因此，如果只对直接投资进行经济性比较是不全面的。 在目前住宅商品化的条件下，居民的购房投资是一项长期的投资，人们也倾向于采用 现代化的新技术，增加少部分的投资或基本不增加投资，来求得居所安全性的提高，减少 或消除地震引起的恐慌不安。由于隔震房屋的抗震安全度大大提高，人们更乐于接受采用 隔震的房屋。在一些住宅小区，即使隔震房屋的售价比较高，人们也还是抢先购买。 论文的选题主要围绕加隔震装置后结构的设计与传统抗震结构的差别及特点来开展 研究的。具体来讲，主要包括以下三个方面： ( 1 ) 建立种新的三维有限元基础隔震结构计算模型，利用a n s y s 有限元分析软件及 其提供的二次开发工具，进行理论分析和计算，研究橡胶垫隔震结构的地震反应特 点和规律。 ( 2 ) 通过建立三维框架一剪力墙基础隔震结构体系，进行动力分析，得出传统抗震结构 与隔震结构在地震作用下的对比，阐述基础隔震结构的优越性。 ( 3 ) 对三维隔震建筑物在输入一维地震波和三维地震波的弹塑性情况进行讨论。设隔震 结构的建筑物，考虑包括竖向地震波在内的激励下和不考虑竖向地震波的激励下， 建筑物的动力反应有何差异。 叠层橡胶基础隔震结构的动力反施研究 第二章三维基础隔震结构的多维地震反应分析 21 动力计算模型 在对结构进行地震反应分析时，须将结构简化成便于应用振动理论进行分析的模 型。在这种振动模型中需要充分考虑结构的动力特性。它应能反应出结构刚度、质量的 分布特征和阻尼等与振动有关的各种因素。常用的结构体系的计算模型有下列几种： 21 1 层间剪切模型 层问剪切模型视结构为悬臂杆。以一个楼层为基本单元，各楼层的竖向抗侧力构件 合并为一个竖杆，用结构的楼层等效剪切刚度作为竖杆的层刚度，并将结构的质量就近 分别集中于各楼层处，用每层的刚度形成结构的整体刚度，从而形成串联刚片体系振动 模型。 根据结构侧向变形状况不同，层间剪切模型可分为三类，即剪切型、弯曲型与剪弯 型。若结构侧向变形主要为层间剪切变形( 如强梁弱柱型框架等) ，则为剪切型；若结 构侧向变形以弯曲变形为主( 如剪力墙结构等) ，则为弯曲型；若结构变形为剪切变形 与弯曲变形综合而成( 如框剪结构、强柱弱梁框架等) ，则为弯剪型。 层问剪切模型的优点是简单，计算量小，可以确定结构的层间剪力与层间侧移；缺 点是模型比较粗糙，不能确定结构各杆单元内力与变形，不易据此确定结构的薄弱部位， 予以防范。 212 杆系模型 杆系模型视结构为杆件体系。以结构中的粱柱等杆件作为分析的基本单元。各杆件 的质量分别就近集中丁各节点，各节点具有独立的节点垃移，结构的动力自由度数等于 结构节点自由度的总数。 杆系模型采用杆件恢复力模型以表征地震过程中杆单元刚度随内力的变化关系，可 方便考虑弹塑性阶段杆单元刚度沿杆长的变化。根据建立单元刚度矩阵时是否考虑杆单 元刚度沿杆长的变化，己提出了两类杆单元刚度计算模型：集中刚度模型、分布刚度模 型。集中刚度模型将杆件塑性变形集中于杆端一点处来建立单元刚度矩阵，不考虑弹塑 性阶段杆单元刚度沿杆长的变化。分布刚度模型则考虑弹塑性阶段杆单元刚度沿杆长的 变化，按变刚度杆建立弹塑性阶段杆单元刚度矩阵。现在已提出了多种集中刚度模型及 分布刚度模型。较为实用的有三阶段变刚度模型、单分量模型及多弹簧模型。其中三阶 段变刚度模型属分布刚度模型，单分量模型与多弹簧模型属集中刚度模型。 杆系模型的优点是可细致描述结构受力状况，可给出地震过程中结构各单元的内力 与变形状况，从而可找出结构各单元屈服顺序，确定结构破坏机制，为结构设计提供确 切的依据；其缺点是太复杂，计算工作量太大。 21 3 空间协同工作模型 空间协同工作模型假定楼面在自身平面内为绝对刚性，而在平面外的刚度则忽略不 一一 皇星塑墼兰些堕垦箜望塑垫垄墨些塑塾 计，在水平力作用下，整个楼面在自身平面内作刚体平动和转动，各轴线上的结构在同 一楼层处具有同样的位移参数；假定各轴线上的结构在自身平面内的刚度远大于平面外 的刚度，因而，整个结构体系可分解为不同方向的平面结构进行计算。杆件分析时，只 须在平面结构内部进行；建立动力方程时，每层刚性楼板仅考虑两个水平方向的平动和 转动三个自由度。 空间协同工作模型的优点是基本未知量少，计算比较简单；各片平面结构的协同工 作抵抗水平力，反映了规则结构整体工作性能的主要特征；其缺点是仅考虑了各片抗侧 力结构在楼层处水平位移和转动的协调，而没有考虑各片结构在竖直方向上的协调，并 且当结构体型和布置复杂，受力具有明显的空间特征时，只按平面协同来计算是不能反 映结构的空间受力特征的。 2 14 杆系一层模型 杆系层模型是杆系模型与层间剪切模型的综合。其基本特点是“静按杆系，动按 层问，分别判断，合并运动”。该模型在动力分析的每一步中形成结构刚度矩阵时，以 梁柱杆件作为基本单元，假设楼板平面内刚度为无限大，将单刚组装成静力总刚后，采 用静力凝聚或每层施加单位力的方法求出与动力自由度( 每层楼板的两个水平位移自由 度及楼板平面内转动自由度) 相对应的动力剐度矩阵。它将结构质量集中于楼层，并按 层模型建立求解运动方程，解出结构动力方程后，再回到杆系模型求出杆件的内力，判 断杆件所处的弹塑性状态，重新形成杆件的单元刚度矩阵，并组集成结构的新静力总刚。 杆系层模型比杆系模型的计算工作量大为减少，又解决了层模型不能求解各梁柱 构件内力的困难，准确性比层模型大大提高，是一种较有实用价值的结构动力分析模型， 但是在实际处理中有一定的困难。 对结构反应预言的准确程度取决于所选取的模型与结构实际性态的吻合程度。本文 采用杆系模型，用a n s y s 中的b e a m 3 - 2 一de l a s t i cb e a m 来模拟框架梁柱，用 c o m b i n l 4 和c o m b l n 4 0 来模拟隔震单元，分析框架的地震反应h 。 2 2 结构刚度矩阵的建立 根据结构力学，杆单元的杆端力与杆端位移问存在下述关系“”： ”= 蝌8 p ( 2 一i ) 式中：沪 ( j j = 讧，_ m x ：y 2m ： 7 杆端力向量； 6 ”k “，v 。鼠“：v ! 岛 7 杆端位移向量。 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 e 00 0 盘矗 0 b 】c l poo o一口一6 06 、d e00 0 一a 6 2 0 一b l d p00 0a b 2 0 一b 2 。2 若同时考虑杆件的弯曲变形、轴向变形与剪切变形，则有 e a1 2 e l ，6 h ”丁舻丽曲2 屯2 万万 铲铲篱，d = 篇肛等 式中：罗剪切变形影响系数； ( 2 - 2 ) 截面剪应力分布不均匀系数，对矩形截面，且= i 2 。 2 21 杆单元弹塑性刚度矩阵 杆单元弹塑性刚度矩阵随杆件弹塑性阶段计算模型的不同而异。在此介绍计算简 单、适应性较广的单分量模型的弹塑性刚度矩阵。 1 ) 基本假定： ( a ) 采用单根杆件杆端弯矩m 与其转角的恢复力曲线，忽略与之相连的其他杆件 的影响。 ( b ) 杆端塑性转角增量取值仅取决于木端弯矩增量，与另一端弯矩无关。 2 ) 公式推导 设杆件弹塑性变形状态如图2 一l 所示。取杆端弯矩m 与杆端转角的恢复力骨架曲 线， 如图22 所示。 根据图2 一l ，有 9 = 8 i 91 1 图2 1杆件弹塑性变形状态 f i g2 - 1m e m b e re l a s t o p l a s t i cs y s t e m ( 2 3 ) 叠层橡胶基础隔震结构的动力反应研究 采用增量形式，式( 2 - 3 ) 可表示为 躺j = a o , ? + e ? 由图2 ：2 中的几何关系， 臼：a m i d f o ( b 1 ，2 ) a 0 ：= a m i k 0 ( i = l ，2 )( 2 - 4 ) 可得 ( 2 - 5 ) 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 4 ) ，稍作整理即得杆端 塑性转角增量与杆端弯矩增量关系： m 卧z m ：? 杠- 斗一 矿：a m ! 二堕( 26 ) 图2 2 杆件恢复力骨架曲线 口k o f i g2 - 2