（岩土工程专业论文）桩土相互作用下的并联基础隔震性状研究.pdf

摘要 摘要 隔震基础技术作为结构被动控制技术的一种，目前已经得到广泛的应用，并被写入了 国家规范。并联基础隔震技术作为隔震的一种形式，不但能够有效降低普通基础隔震结构 的造价，而且具有显著的基础隔震效果。然而目前对并联基础隔震的研究存在下面问题： 对其影响因素的研究尚不深入；对其震后残余位移研究很少；地基基础对其的影响作用不 够清楚。 针对以上问题，论文首先对并联基础隔震以及地基与上部结构相互作用的研究现状进 行了综述和归纳，提出了论文要做的工作，其次研究了并联基础隔震在有限单元法中的实 现，并利用有限元计算方法对某十层框架剪力墙并联基础隔震结构进行了计算分析，得到 的一些结论可以作为并联基础隔震建筑物设计的参考依据，论文完成的主要工作如下： ( 1 ) 对并联基础隔震技术的影响因素进行了阐述，通过算例对并联基础隔震建筑的隔 震周期，摩擦支座最大滑动摩擦力等主要因素进行了分析。 ( 2 ) 推导了并联基础隔震建筑的水平残余位移计算公式，利用数值计算方法对隔震周 期、最大滑动摩擦力，不同地震波的影响作用进行了分析，得到了控制残余位移的方法。 ( 3 ) 研究了桩承基础的并联基础隔震建筑物的地震反应，分析讨论了不同地基土对结 构顶层最大水平位移、最大水平加速度、隔震层最大水平位移、最大水平加速度以及底层 柱水平剪力的影响。 关键词：并联基础隔震夹层橡胶支座滑动摩擦支座水平残余位移 桩土相互作用 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h et e c h n o l o g i e si nw h i c hs t r u c t u r e sa r ep a s s i v e l yc o n t r o l l e d b a s ei s o l a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dw i d e l ya n dw r i t t e ni nt h en a t i o n a ls t a n d a r d t h ep a r a l l e lb a s ei s o l a t i o n t e c h n o l o g yn o to n l ye f f e c t i v e l yr e d u c e st h ec o s to fo r d i n a r yi s o l a t i o ns t r u c t u r eb u ta l s op l a y sa l l o b v i o u sr o l ei nt h eb a s ei s o l a t i o n b u tt h e r es t i l la r em a n yp r o b l e m sa sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h er e s e a r c ht of a c t o r so fp a r a l l e lb a s e i s o l a t i o ns t r u c t u r ei sn o te n o u g h ；s e c o n d l y , t h er e s e a r c ht or e s i d u a jd i s p l a c e m e n t si si n s u 确c i e n t ； t h i r d l y , t h ei n f l u e n c eo f g r o u n df o u n d a t i o nt op a r a l l e lb a s ei s o l a t i o ns t r u c t u r ei sn o tc l e a r a st oa b o v eq u e s t i o n s ，f i r s to fa l l ，p r e s e n ts t a t u so fr e s e a r c ht op a r a l l e lb a s ei s o l a t i o na n d t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es t l p e r s t r u c t u r ea n dg r o u n df o u n d a t i o na r es u m m a r i z e d a n dt h ew o r k o ft h ep a p e ri sp r o p o s e d t h e nt h em e t h o df o rp a r a l l e lb a s ei s o l a t i o nu s i n gf i n i t ee l e m e n t t e c h n i q u ei so b t a i n e da n dt h ec a l c u l a t i o nf o rat e n f l a m e ss h e a r i n g f o r c e w a l ls t r u c t u r eu s i n g p a r a l l e lb a s ei s o l a t i o nt e c h n o l o g yi sc a r r i e do u ta n ds o m ec o n c l u s i o n sa r eg a i n e dw h i c ha r e u s e f u lf o rt h ed e s i g no f p a r a l l e lb a s ei s o l a t i o ns t r u c t u r e s t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef a c t o r so fp a r a l l e lb a s ei s o l a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n dt h ea f f e c t so ft h eb a s e i s o l a t i o np e r i o d i c ，t h em a xf r i c t i o nf o r c eo f b e a r i n g sa n dd a m p i n ga r ed i s c u s s e d ( 2 1 t h ef o r m u l af o rh o r i z o n t a lr e s i d u a ld i s p l a c e m e n ti se x t r a c t e da n dt h ea f f e e t so f t h eb a s e i s o l a t i o np e r i o d i c t h em a xf r i c t i o nf o r c eo fb e a r i n g sa n dt h ed i f f e r e n t i a le a r t h q u a k ew a v e sa r e s t u d i e d s o m em e t h o d st oc o n t r o lt h er e s i d u a ld i s p l a c e m e n ta r ep r o p o s e d r 3 ) t h ee a r t h q u a k er e a c t i o no fp a r a l l e lb a s ei s o l a t i o ns t r u c t u r e si ss t u d i e d a n dt h ea f f e c t s o fp i l e sa n ds o i lt ot h em a xd i s p l a c e m e n ta n dm a xa c c e l e r a t i o no ft o pl a y e ra n dt h eh o r i z o n t a l 幽e a ro fb a s ei s o l a t i o nl a y e ra r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：p a r a l l e lb a s ei s o l a t i o n ，l a y e r e dr u b b e rb e a r i n g ，f r i c t i o nb e a r i n g ，h o r i z o n t a l r e s i d u a ld i s p l a c e m e n t ，t h ei n t e r a c t i o no f p i l e sa n ds o i l i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 加口1 年) 月砂呵日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者c 签名，：避p 一7 年歹月乙7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的发展和人们生活质量的提高，人们对于自然灾害的预报和防护需要已 经变得越来越重要，重大自然灾害，如台风、地震、海啸、泥石流等，给人们带来巨大的 生命和财产损失，其中地震灾害尤为突出，各国对地震防护也十分重视。各种震害表明建 筑结构的抗震设计已经基本实现了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，地 震时人员的伤亡从以往的几百万、几十万下降到现在的几千、几百人。然而上世纪九十年 代发生在一些发达国家的震害表明，虽然地震时建筑物没有倒塌，但是由于结构的破损和 一些投资很高的设备以及豪华装修的破坏所造成的损失却十分巨大“。1 9 9 5 年1 月1 7 日 发生在日本的6 9 级阪神大地震，死亡5 5 0 0 人( 大多是旧建筑物倒塌造成的) ，面经济损 失却高达1 0 0 0 亿美元；1 9 9 4 年1 月发生在美国西海岸洛杉矶地区的6 7 级地震，死亡5 7 人，而由于结构的损坏造成1 5 万人无家可归，仅结构的损失费就高达1 7 0 亿美元【2 - 4 1 ；1 9 9 9 年相继发生在土耳其伊兹米特市7 4 级地震和台湾南投县集的7 3 级地震，造成大量房屋 倒塌( 大多是由施工质量差引起的) ，经济损失惨重【纠l 。由此可见，单纯强调建筑结构在 大震下不严重破坏或不倒塌，已经不是一种完善的抗震思想，而采用工程结构减震与振动 控制技术，在大震下结构不损坏或者仅有轻微损坏，从而保证了罕遇地震发生时人员、设 备以及装修的安全，符合近来兴起的基于性麓的抗震设计思想，有良好的发展和应用前景 i j 9 - i l j o 建筑物减震与振动控制是目前国内外抗震工作者研究的热点之一【1 “”，它包括被动控 制、主动控制和混合控制，其中以被动控制应用最为广泛。建筑物基础隔震技术是工程结 构被动控制的一种【m l ，目前已经日趋成熟，并逐步向工程中推广应用。与传统抗震结构体 系相比，其优越性主要表现在f 1 6 】：( 1 ) 把传统抗震结构的“硬抗”改变为隔离地震，减小上 部结构的地震反应，提高地震时结构的安全性，上部结构地震反应的降低也减小了结构的 造价，经济效果显著；( 2 ) 隔震结构在地震过程中其上部结构仅做轻微的平动，从而保障 了建筑物内部人员、装修以及设施的安全；( 3 ) 设计比较自由，可以突破传统抗震结构在 设计上的某些限值( 如层高、高度等) ；( 4 ) 防止电力、通信以及其他各种管道破坏所造 成的次生灾害；( 5 ) 震后维修费用低，只需检测并更换损坏的隔震装置，修复迅速。 国家标准建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) f l8 】中增加了隔震和消能减震设计一 章，该规范对隔震和消能减震的设计要点进行了规定，并给出了基础隔震结构的简化计算 方法f 1 7 】。典型地震波下的时程分析法是一种确定性的分析方法【1 9 1 ，它把地震动当作时间的 确定函数，求得结构反应的时间波形。 第一章绪论 1 2 基础隔震的发展 1 2 1 隔震技术的产生 迄今为止，有记载说明最早提出基础隔震概念的人是日本的河合浩藏。他在日本的建 筑杂志1 8 8 1 年第1 2 号上发表的“地震时不受大震动的结构”一文中，针对放有天平等对 震动敏感的设备的建筑物，提出：“要盖一种在地震时也不震动的房屋”。为了实现这一目 标，他的办法是先在地基上横竖交错的卧放上几层圆木，圆木上面作混凝土房屋，以便削 弱地震向建筑物的传递。 1 9 0 9 年，卡兰特伦茨ja 在美国斯坦福大学提出了另一种基础隔震方案，即在建筑 物与基础之间铺一层滑石或云母，地震时建筑物滑动，以达到隔离地震动向建筑物的传递。 这些已知最早的关于基础隔震的研究，其隔震方案是在地震工程学的萌芽阶段提出 的，对工程结构的地震隔离不可能是完全可靠的。 1 2 2 基础隔震技术早期研究 随着地震工程学的发展，尤其是1 9 2 3 年日本关东大地震之后，有关基础隔震的研究 逐步深入，1 9 2 3 年日本的鬼头建三郎提出在建筑物柱脚和基础之间插入轴承的隔震方案。 1 9 2 7 年日本的中村太郎在理论方面取得突破，提出了隔震系统中吸收地震能量的必要性， 提出在杠底上端增加侧向阻尼器，把起垂直支撑作用的柱子和吸能的阻尼装置分离开来。 中村的方案是基础隔震理论研究的一个重大进步，其所提出的阻尼吸能正是先前所忽略 的，对后人的隔震研究具有重要意义。 在此时期出现的另一种隔震方法是采用柔性底层法( f l e x i b l ef i r s ts t o r e y ) ，简称e e s 法。设计时使底层柱子的横向刚度大大低于它的铅直刚度，在水平荷载作用下，变形主要 在底层柱子，但在随后的一次地震中，采用这种方法所建成的建筑物遭到严重破坏，最后 通过采用计算机研究分析发现这种方法是行不通的，因为如果要减小上部柱子的剪力，底 层柱子的屈服刚度必须很小，结果水平位移很大，而竖向荷载对屈服柱子的影响使得这种 方法不可能实现。日本的建筑家罔隆一对前人的研究进行了较为深入的对比和总结后提出 了基础隔震最基本的思想：“隔震系统应当兼备吸能和长周期两种特性”虽然这只是定性的 对基础隔震原理的陈述，至于其中的周期究竟长达多少以及能量吸收多少仍需定量的研 究，但他指明了后人的研究方向。 隔震技术的基础研究是以地震观测和非线性震动理论为基础的。地震记录为分析和计 算奠定了荷载基础；非线性震动理论则为实现计算提供了方法，因为隔震结构地震反应属 于局部非线性问题，在地震作用下，仅有隔震层出现非线性，其余结构认为是线弹性。 1 2 3 现代基础隔震技术的研究 人们对于隔震技术的研究一直以来都主要是针对隔震和吸能两个方面进行的，隔震装 置隔离地震动的向上传递，吸能装置则吸收耗散掉地基传至上部建筑物的能量。对于隔震 器的研究主要是改进和发明更为经济有效的隔震支座，既能有效阻断地震能量的传递，又 2 第一章绪论 经济适用；对消能器的研究则是对各种阻尼器进行优化并创造出各种新的经济有效的阻尼 器，既达到吸收能量的目的，又限制隔震层的最大位移。 因此现代隔震技术的研究也主要是围绕隔震系统和阻尼系统进行的。 1 、隔震系统方面： 1 ) 可控摩擦力滑动支座 对摩擦滑移隔震结构在e e d , 地震中破坏严重而在大震中基本安全的特点，提出了可控 摩擦力滑动方案，主要是将计算机引入隔震系统，根据液压箱发出的信号由计算机调整摩 擦系数的大小从而调整摩擦力，这种隔震基本属于主动和被动结合的抗震方法。 ( 2 ) 堆叠型橡胶支座 工程中常用的叠层橡胶支座是通过硫化把钢板和橡胶板粘结在一起，即粘结性橡胶支 座。堆叠型橡胶支座是由华中理工大学开发出来的，这类支座内部钢板较厚，直径比橡胶 板大，通过对制造工艺的改进，放弃了硫化粘结成型程序，简化了生产方法，成本低，检 查方便。 2 、阻尼系统方面： ( 1 ) 粘弹性阻尼器利用粘弹性材料制作，结构简单，有希望在将来的隔震系统中使 用。 ( 2 ) 摩擦阻尼器通过摩擦吸收能量，变形机构理论上为刚一塑性系统，但它荷载位移 曲线类似于塑性滞回阻尼器的双线性曲线，摩擦阻尼器应当能够获得较为稳定的摩擦力， 也不会因从静摩擦到动摩擦的多次反复使摩擦力受到影响。 ( 3 ) 钢丝绳阻尼器采用钢丝绳绕制而成，借助于大变形过程中钢丝与钢丝之间的摩擦 阻尼力，消耗地震能量，阻尼比可达0 2 ，滞回曲线较为丰满。 基础隔震结构地震反应通常都是直接输入地震波对结构进行非线性计算，a k i y a m ah 提出用地震能量进行设计的概念，地震对结构的荷载效应通过能量谱表达。对于结构的计 算简图通常采用层状多层剪切模型，另外有一批新的模型被提出如空间层状模型，平面杆 系有限元模型等。基础隔震技术的应用正在日益扩大，在房屋建设方面已经从住宅楼，办 公楼发展到实验室，计算中心；从砌体结构，混凝土结构扩大到钢结构，木结构。在桥梁 方面也已经应用到预应力桥梁，钢桥以及箱梁，板梁等桥梁结构中。因此隔震技术在未来 有着更为广泛的应用前景。美国，新西兰，日本，意大利的等国家已经具有较为完善的基 础隔震结构设计方法和规范，但隔震技术的研究仍有许多的问题需要解决。 目前国内外对基础隔震的研究主要是从试验方法，理论分析，数值方法等方面考虑的。 根据基础隔震的原理，首先是对基础隔震结构进行简化，将上部结构根据计算需要和结构 本身特征简化为不同的模型，对于隔震层则多采用线性弹簧和阻尼器的不同组合形式来模 拟。对于隔震结构的设计计算方法通常是输入实际地震波利用程序计算结构地震反应，通 过比较和不断调整参数达到隔震结构的优化设计。其中理论分析主要是应用已有抗震理论 和能量理论等来考察基础隔震抗震设计方法；数值方法主要是应用理论研究成果，将结构 简化为较为符合实际的有限元模型，对结构划分网格进行有限元计算分析，计算结构反应， 3 第一章绪论 试验研究是对理论和数值研究的验证，通过模型考察理论的正确性以及数值计算方法的合 理性和精确性。 对于基础隔震的理论研究主要是对基础隔震设计方法、基础隔震型式、基础隔震计算 方法的研究。张文芳等对设置摩擦阻尼器的基础隔震结构动力反应理论模型和数值方法进 行了研究，该理论模型不论是否产生摩擦滑动，均将摩擦隔震层作为结构体系的一个广义 计算点，并将摩擦力模型转化为速度相关型阻尼力，与其它方法相比，该方法正确可靠， 满足精度要求。郑文博、吴文彪针对房屋减震橡胶垫进行了改进，针对目前使用的橡胶垫 优缺点提出橡胶使用向多胶种发展，产品结构采用了l r b 叠层橡胶件、l r b 叠层橡胶件 与空气弹簧组成的三维系统减震件。冷谦、于建华利用p u s h o v a 方法对隔震结构的性能 迸行了评估。祁皑等对基础隔震结构不同工况下的高宽比限值进行研究，隔震支座不出现 拉应力和压应力不超过容许值是保证隔震结构不产生倾覆的充分条件，在轴力计算时、考 虑水平地震力，竖向地震力以及重力荷载的最不利组合，得出两种不同控制方式下高宽比 与结构周期的关系。苏经宇等研究了国内外橡胶支座隔震建筑的地震作用计算方法，提出 了计算橡胶支座基础隔震建筑地震作用的实用计算方法，在采用单质点模型计算结构底部 剪力时，由于根据不同的阻尼，地震系数取值也不同，因此提出一个地震作用调整系数， 用来使单质点体系的结构反应接近于真实情况。马锡元等考虑到等截面橡胶支座在中小地 震时隔震效果与实际设计偏小的情况，提出采用不同截面直径橡胶垫组成隔震体系，有助 予改善中小地震的隔震效果，两个隔震支座串联而成，支座间用刚性板连接，并推导了临 界力方程和水平刚度系数计算公式。谷伟、李艺等对基础隔震结构采用多质点层问等效剪 切模型，通过动力时程分析，研究了隔震层位移幅值的影响因素，结果表明场地类别、地 震烈度、隔震后结构基本周期和隔震层等效阻尼比是影响位移幅值的主要因素，但没有考 虑隔震上部结构的具体型式也是影响隔震层位移幅值的主要因素。 1 3 地基与结构相互作用研究现状 1 3 1 理论研究 对地基与隔震结构相互作用的研究主要借鉴地基与普通结构的研究方法。基础与结构 相互作用实质土体与建筑物材料特性的差异，从而变形能力产生差异，这样在接触面上就 产生了相互作用力，表现为基础和结构的相互作用，土与结构相互作用包括运动相互作用 和惯性相互作用两个部分。土体与结构相互作用模型可以分为三种情况：( 1 ) 偏重于研究 上部结构地震反应的，土体一般采用等价力学元件代替；( 2 ) 除了研究上部结构地震反应 还要了解对土体地震反应的影响，这种情况下，通常根据土体的应力应变关系采用等价非 线性粘弹模型；( 3 ) 地下结构分析为主的模型如隧洞涵洞等，这就要对结构和土体都进行 模拟。土体与结构共同作用目前应用较多的几个模型有：1 ) 质弹- 阻模型，把基础看作有 质量的弹簧和阻尼器，地基反力有地基的弹簧常数和阻尼常数来反映；2 ) 半空间无限体模 型：将士体视为均质半空间无限体模型，结构和土体之间的相互作用是通过两者之间接触 4 第一章绪论 面传递的；3 ) 基床系数模型；基于文克尔假定，土体中一点的力只使该点产生位移，土 体与结构相互作用由弹簧体系代替，作用力与弹簧变形成正比；4 ) 有限元模型：将土体看 作有限元集合体，结合土体的应力应交关系，建立整体劲度矩阵求解；耦合模型：采用有 限元、边界元和无界元祸合，结构和近场土体用有限元模拟，远场则用边界元或无界元模 拟。 土结构相互作用研究方法应用最多有三种：( 1 ) 子结构法：子结构法在分析土体一结构 相互作用时分两步：第一步分别求出上部结构、基础、地基的单体反应：第二步联合各单 体反应使其满足相互作用条件，从而得到整个系统的动力反应，该方法对于每个子系统( 上 部结构、地基、基础) 都可以采用各自合适的分析方法，在计算求解过程中可以把结构的 线性反应和基础的非线性分离开来，加快求解速度。采用子结构法分析土结构相互作用主 要解决三个阀题分别为：源问题、阻抗函数问题、由模拟弹簧及阻尼器支撑的结构在给定 基础震动下的反映问题。源问题是计算无质量刚性基础在给定输入地震动或地震作用下反 应的问题，又称为运动相互作用；阻抗函数问题是子结构法的关键问题，地基的阻抗( 动力 刚度矩阵) 与基础几何特征、埋入情况、土层特性、土基础界面情况以及干扰频率有关， 子结构法又称地基阻抗法；由模拟弹簧及阻尼器支撑的结构在给定基础震动下的反应问题 主要是指结构在该动力作用下的反应，属于惯性相互作用。( 2 ) 直接法：直接法是将场地 地基、基础和上部结构各个部分看作一个整体计算。此方法是在计算过程中自动考虑地基、 基础和上部结构的相互作用，根据地基非线性的特点采用相应的本构关系能够较好的模拟 地基的非线性特征。直接法通常分为数值法和半解析数值法如：有限单元法、边界元法、 无限单元法等。有限单元法：可以对上部结构、基础进行准确模拟但不能模拟无限地基的 辐射阻尼问题，因此需要引入人工边界，常用的人工边界有粘滞阻尼边界、一致边界、旁 轴边界、外推透射边界和迭加边界等。其中以粘滞阻尼边界应用最广；边界单元法应用 g r e e n 定理通过基本解将支配物理现象的域内微分方程变换到边界上的积分方程，无需设 置人工边界条件；无界元法是在有限单元法的基础上将边界处的单元沿外法线无限延伸而 沿无限方向引入解析函数，属于半解析数值法的一种。( 3 ) 集中参数法：将半无限地基简 化为弹簧阻尼质量系统，该方法计算模型有s r 模型和并列质点系模型等。土与结构的相 互作用对结构的主动和被动控制有着重要的影响，是研究的一个主要方向。 结构动力相互作用的研究最早可以追溯到1 9 0 4 年l a m b z l 2 0 对弹性地基振动问题的分 析。1 9 3 6 年r e i s s n e r 2 q 通过对l a m b 解的积分，研究了刚性圆形基础板在竖向荷载作用的 简化边界条件下的振动问题( 即通常所称的基础振动问题的r c i s s n c r 解) ，标志着上部结构 物动力相互作用研究的开始。此后这一领域得到了众多研究者的关注。1 9 5 3 年q u i n l a n 求 得刚性基础下的接触压力问题 2 2 1 。 s u n g 对r c i s s n r 的工作做了有益的补充，他假定半空 间表而上圆形刚性基础接触面内有三种反力分布【2 如( 均匀分布、抛物线分布及刚性基础的压 分布) ，给出了不同泊松比下的解，得出了半空间基础上条形基础反力的数学表达式。这一 理论可以应用于计算条形基础的柔度函数。r i c h a r t ( 1 9 6 5 ) 通过计算对比后认为这一方法具 有相当的精度 2 4 1 。a r n o l d 等( 1 9 5 5 ) 及b y e r o f t ( 1 9 5 6 ) 得出圆形基础在摇摆振动下的解，第一 第一章绪论 次得出基础下的应力分布与频率有关的结论【2 5 】【2 6 】，1 9 6 6 年l y s m c r 和r c h a r t 提出的解决上 部结构动力相互作用的集总参数法c 2 7 1 ，为解决上部动力相互作用奠定了基础。其后，h a l l t h o m s o n 、l u e ow o l f 等人对这一方法又有所发展。1 9 6 7 年p a r a m c l c c 第一个对土和结构系 统提出了比较合理的力学模型【2 ”，他将地基理想化为半无限空间，上部结构理想化为带刚 性底板的单自由度刚架，其刚性底板搁置在地基土表面。这一力学模型的提出，标志着上 一结构动力相互作用研究工作的深化。c h o p r ap c r u m a l s w a m i 在分析大坝与基础在地震时的 相互作用时提出了子结构法【2 9 】，使数值计算能够在动力体系中得以有效应用。l y s m c r 和 k u h l c m y c r 提出的吸收边界包含瑞利波阻尼，得出了条形基础及对称基础的柔度函数【3 0 】。 l u c o 和w e s t m a n ”j 以及v e l c t s o sw e i 口2 】得到了复合边界条件的解，前者是用柔度来表示力和 位移的关系。后者则用刚度和阻尼系数即动力阻抗来表示力和位移的关系。研究者采用不 同的吸收边界，利用有限元计算各种埋置基础的阻抗函数。l y s m c r 和w a a s 在1 9 7 2 年提出 了一种能够传播洛夫波和瑞利波的吸收边界，这一边界应用于坐落在坚硬基岩及水平分层 介质上的基础的频域动力分析【3 ”。k a u s e l 将这一方法扩展到轴对称问题并得出不同基础形 式的阻抗函剡3 4 1 。1 9 7 6 年l u c o 利用积分的方法得出粘弹性分层介质上刚性基础的阻抗函 数【“。d a s g u p t a 、k a m e s w a 和r a o 把l y s m e r 的研究扩展到研究平面、轴对称及二维基础 问题，同时考虑了材料的非线性及非均质性【3 “。上与结构相互作用问题涉及到半空问无限 域的问题，这就导致边界元法的出现。因为其能够包含模型中的无限域问题，所以边界元 法大量应用于土结构相互作用问题中。1 9 7 8 年d o mi n g u c z 第一次利用频域中边界元法得 出明置或埋置于粘弹性半空间中的矩形基础的阻抗函数【3 ”。1 9 8 0 年，p e k e r i s 和王贻荪等 人对基础振动半空间理论作了进一步分析，求得了动b o u s s i n c s q 问题的精确解【3 8 1 。1 9 8 1 年，i g u c h i 和l u c o 得出了弹性半空间上矩形基础的动力反应f 3 ”。八十年代中期以后，各种 更精确更实用的方法得到了发展，并逐渐向二维分析过渡，而非线性分析逐渐成为研究的主 流方向。k a r a b a l i s 和b c s k o s 利用b e m 在时域中分析了二维刚性地面上明置基础及埋置基 础的阻抗函数【帅】1 4 ”。1 9 8 5 年a b a s c a l 和d o m i n g u e z 俐用f e m b e m 求得了柔性基础的动力 反应【4 2 】，并在1 9 8 6 年求得基础置于非均质土体上的阻抗函数【4 射。a h m a d 和b a n c r j d ( 1 9 8 8 1 利用频域中的二次单元求得基础的柔度函数，并利用边界元求得柔性埋置基础的动力反应 4 4 1 。z e l ok a r a b a l i 和b c s k o s d 5 】以及g a i t a n ar o s 和k a r a b a l i s l z r l t 删在时域中利用b e m f e m 分析得出了埋置基础的动力反应。a h m a d 和b a n c r j d 利用格林函数形成刚度矩阵，利用有 限差分能量法形成板的刚度矩阵，给出了圆形基础的动力反应【4 7 】。w j l n l 和s o n g 在1 9 9 4 年提出了微分有限元和方法，并用于求解时域内无限介质的动态刚度矩阵【4 8 】。1 9 9 7 年h a n 提出非线性土中桩的动力反应 4 9 1 。1 9 9 8 年b c r n a l 和y o u s e f i 提出了非线性土中结构共同作 用的时域频域混合法唧j 。 基础隔震应用广泛，包括桥梁工程和工业民用建筑中，基础的类型复杂多样，有天然 基础仅作换填处理，也有采用人工基础如桩基础等。隔震结构作为一种建筑形式，与基础 也是分不开的。当采用普通浅基础时，利用数值方法来研究基础和结构相互作用，在结构 和地基之间通常要设定接触单元，来模拟结构和地基的连接。吴亚军等根据非线性理论和 6 第一章绪论 弹塑性理论，在土与结构接触面切线方向提出了一种非线弹性理想塑性本构模型，用于模 拟土与结构相互作用体系中切向变形与破坏机理，该模型将接触带内的变形分为剪切变形 和错动变形，对于法线方向采用法向应力与法向相对变形之间的非线性模型，将该模型应 用于有厚度接触单元，从而得到适用于有限元分析的接触带单元。李海岭等应用子结构法 讨论了地基土柔性、基础埋深和隔震层刚度对于隔震体系基频和结构反应的影响。李忠献 等利用间接边界元法建立了地基土动力刚度矩阵，在频域内采用子结构法建立运动方程， 分析了不同地基土刚度对隔震结构的影响。邹立华、赵人达采用弹簧一粘性阻尼器模拟土对 结构的影响，就地基土对结构的影响进行了研究，结果表明地基土对隔震结构的影响比非 隔震结构的影响小得多。 1 3 2 数值分析 数值分析方法属于精确分析方法，采用有限元、边界元等对结构整体划分网格，形成 整体劲度矩阵，然后由荷载求解结构各节点位移，再由位移求解结构节点力和应变。计算 软件多为a n s y s 、e t a b s 、s i m i l i n k 、s a p 2 0 0 0 等。赵亚敏等利用s a p 2 0 0 0 计算软件对底框上 部砌体基础隔振结构进行了三维非线性时程分析，结果表明基础隔振能够显著降低结构反 应，但可能会增大结构的竖向地震反应。华南理工大学魏德敏利用e t a b s 计算软件对高层 隔震建筑的三维地震反应进行了研究，结果表明基础隔震同样适用于对称性较好的中高层 建筑，隔震效果十分明显。毛立军、李爱群利用s i m u l i n k 和s t a t e f l o w 的双线性隔震体系仿 真分析方法对双线性隔震体系对应参数的敏感性进行了研究，研究表明隔震层屈服系数和 第二隔震周期是影响双线性隔震体系反应的主因子，而第一周期对隔震体系反应影响相对 较小，基本参数之间存在较大的交互作用。鲍华、徐礼华、周友利用a n s y s 软件建立三维 隔震结构模型对土一隔震结构相互作用进行了研究，结果表明地基土厚度对隔震结构影响很 大，随着隔震层刚度的增加结构周期变大，但对结构高阶周期影响不大。王彬、丁海平教 授利用a n s y s 有限元软件对隔震结构和基础分别建模对不同场地条件下的七层混凝土结构 进行整体有限元分析，得出考虑地基因素后，隔震位移幅值有很大降低，并对一、二、三 类场地条件下与规范对比，规范偏于保守，但计算中并没有考虑土体非线性的因素，因此 可能造成计算精确度不高。熊辉等 5 h 利用整体有限元方法，在考虑了模型的边界效应和桩 土界面的滑移、接触非线性行为的基础上，较全面的研究了层状土域中桩基上下部结构的 惯性相互作用和运动相互作用基本效应。李永梅等【5 2 】对p e n z i e n 模型进行改进对桩土杆系 结构进行动力相互作用分析研究，并编制了适用于相互作用计算的d i p s f s a 程序，结果 表明该程序对于柔性地基上的抗震计算具有一定的使用价值。陈国兴等【5 3 1 利用土体结构体 系整体分析方法，对某2 6 层桩箱框架剪力墙高层建筑进行了数值计算分析，结果表明s s i 效应在加速度峰值较低时，可能会导致部分楼层的加速度反应增大，在地震动一定时，s s i 效应使上部结构层间位移增大，但也可能减小，因此对于深厚软基考虑s s i 效应是十分必 要的。结合平面动力有限元和简化三维集中质量法对水平地震作用下的桩土体系动力反应 进行预测，算例分析表明由于土的参与结构层间位移增大，内力在某些频谱内也有所增加 1 州。利用p e n z i e n 模型的基础上建立了s s i 计算模型，对地震自由场输入和桩端输入对隔 7 第一章绪论 震结构影响进行了比较，认为在一般隔震设计中可以不考虑s s i 效应5 5 1 。孔德森等 5 q 对桩 土相互作用中的动力w i n l d e i 地基模型进行了评述。 1 3 3 试验与工程实例 工程试验研究是目前应用较为常用的方法，通过模型振动台试验可以详细了解结构反 应特性，然后与已有理论和数值结果进行对比，验证理论和数值模拟。文献【57 】通过振动台 试验模拟分层土基础一高层框架的相互作用，并利用a n s y s 软件进行模拟与结果对比，说 明沙土层具有地震放大作用，粉质沙土层具有隔震和减震作用。文献【5 8 1 通过结构地基相互 作用振动台模型对比试验，研究了不同土性地基条件下动力相互作用的影响。文献【5 9 】考虑 桩土动力作用分析中的接触面模型特点，g o o d m a n 单元仅能考虑力的传递，作者在单元中 加入阻尼成分，结构反应降低。文献【椰】对组合基础隔震房屋进行振动台试验研究，证明组 合基础隔震是一种经济、有效的隔震型式设计。文献 6 l 】针对文献【6 2 】中的实验结果，对组合 隔震提出了叠层橡胶支座的粘弹性模型和滑板摩擦隔震支座的粘刚塑性模型，分析结果与 实验结果近似。文献 6 2 】对砂垫层隔震性能进行实验研究发现松散状态下砂垫层隔震效果较 好，紧密状态下效果较差。文献1 6 那对宿迁市文体综合馆基础隔震设计进行了分析，采用隔 震设计具有明显的技术经济效益。文献畔】具体介绍了隔震建筑宿迁市人防指挥大楼隔震设 计方法，通过计算对比分析采用基础隔震能够显著降低结构地震反应。文献【6 5 】介绍了徐州 奎山小区住宅楼的并联基础隔震设计，利用摩擦滑移支座可以代替部分橡胶支座和阻尼 器，具有良好的经济效益。文献 6 6 1 介绍了广州大学城行政楼采用组合基础隔震设计，在提 高造价在3 5 的基础上却可使结构增加六倍的抗震能力。文献【67 介绍了基础隔震在电力 工程设计中的应用，采用基础隔震可以大大提高地震时电力系统的安全性。文献【6 8 】介绍了 铅芯橡胶支座在铁路桥梁抗震中的应用研究，文章取四个刚度不同的桥墩为研究对象，对 铁路桥梁隔震效果进行了研究，对铁路简支桥的隔震设计具有参考价值。文献【6 9 】介绍了隔 震技术在邮电建筑和邮电通信设备安装的隔震作用，并对这方面的研究提出了设想。 1 4 存在的问题 并联基础隔震作为一种建筑物减震方法，通过延长某些短周期结构的自振周期，从而 避开地震动卓越周期达到隔离地震的目的。该技术在工业与民用建筑、桥梁工程、石油工 程以及电力通信设备消能减震方面有着广泛的应用前景。本文深入研究了并联隔震体系的 影响因素；震后残余位移问题以及不同地基条件下并联基础隔震建筑物的地震反应，对并 联基础隔震设计具有重要的参考意义，目前的研究主要存在三个问题： ( 1 ) 并联基础隔震技术不同于一般隔震技术，其主要影响因素：隔震周期、摩擦支座 最大滑动摩擦力的作用尚不明确。 ( 2 ) 并联隔震结构的震后残余位移控制问题，因为震后残余位移对于并联基础隔震结 构安全性是很不利的，目前对于残余位移的研究很少。 ( 3 ) 地基对并联隔震结构的影响，不同的场地有不同的卓越周期，考虑不同的地基对 s 第一章绪论 于并联基础隔震建筑物的研究目前尚存在不足。 1 5 主要内容与技术路线 1 5 1 本文主要内容 基于上节中所提到的问题，本文主要工作如下： ( 1 ) 介绍并联基础隔震的基本原理和方法，对目前关于基础隔震以及地基与基础隔震 建物相互作用的国内外研究成果进行总结和分析。 ( 2 ) 通过数值计算方法，对隔震建筑地震反应的主要影响因素：并联基础隔震周期、 摩擦支座最大滑动摩擦力的作用进行研究分析，得出其对并联基础隔震结构的影响利弊， 为工程设计提供参考依据。 ( 3 ) 对并联隔震层震后水平残余位移计算公式进行推导，从中分析出震后残余位移的 影响因素，利用数值计算方法对各种因素如：不同地震波、最大滑动摩擦力、以及隔震周 期进行计算分析，总结出一定的规律，可以作为工程设计限制震后残余位移的参考。 ( 4 ) 利用数值计算方法对不同地基条件下并联隔震建筑物的地震反应进行计算，对地 震反应参数如：隔震层和顶层的最大水平位移、最大水平加速度以及底层框架柱进行了研 究分析，从而推出不同场地土对于并联基础隔震建筑物的影响，得出的一些结论可以作为 基础隔震建筑设计的参考依据。 1 5 2 技术路线 基础隔震的计算方法目前主要是时程分析法，通过采用具有特征的至少三条地震波对 并联基础隔震结构进行地震时程反应分析，本文拟采用e l c e n t r o 波、t a f t 波、人工波 以及唐山波，对各种参数进行时程计算分析，技术路线如图1 1 ： 9 第一章绪论 图1 1 技术路线图 1 0 第二章并联基础隔震原理及计算方法 第二章并联基础隔震原理及计算方法 2 1 引言 基础隔震作为结构被动控制型式的一种，与传统的抗震设计在原理和计算方法上都有 着很大的不同。传统抗震设计方法是通过加大结构构件截面尺寸、钢筋和混凝土强度等来 增加结构对地震作用的抵抗能力，地面传给结构的地震能量主要由结构本身吸收，通过结 构自身阻尼或结构塑性变形消耗掉，然而钢筋混凝土结构阻尼比较小，因此耗能能力较差； 传统结构计算一般由底部剪力法或振型分解法计算；在基础隔震设计过程中，上部结构可 按正常抗震设计标准适当降低，如降低一至两度进行设计，通常可以大大节省上部结构的 材料用量和结构净空，使建筑物使用方便美观，基础隔震结构在结构底部设定隔震层，隔 震层具有较小水平刚度，可以避开地震卓越周期，阻断地震能量向上传播，另外通过设置 专门的阻尼器吸收地震能量，上部结构基本实现在地震时的轻微平动，从而提高了建筑物 的居住和使用质量；目前基础隔震计算主要采用时程分析法，根据结构自身特点，将结构 简化为不同的力学模型计算结构反应。 2 2 基础隔震原理与方法 2 2 1 基础隔震的基本原理 基础隔震最基本的思想是指在建筑物基础与上部结构之间设置一个隔离层，把上部结 构与基础隔离开来，减小地砸运动的能量向建筑物上部的传递，以降低建筑物上部的地震 反应，实现地震发生时建筑物只产生较轻微运动的且标，从而保证建筑物内人员、设备和 装修的安全。其基本原理是：隔震层通常具有较大的竖向刚度和较小水平向刚度，竖向刚 度用来支撑上部结构自重，由于水平刚度小，使建筑物自振周期延长( 通常建筑物具有相 对较短的自振周期) ，从而避开了地震卓越周期，可以大大降低结构地震反应，但地震时 隔震层会产生较大水平位移，所以应根据需要，在隔震层同时设置阻尼装置，用来吸收消 耗地震动能量，这样既减小了上部结构的地震反应，又有效的降低了隔震层的最大水平位 移，防止结构在罕遇地震作用下的整体倾覆，提高了结构的安全性和可靠性。 下面以地震反应谱来说明基础隔震基本原理，图2 1 和图2 2 分别为普通建筑物的加 速度和位移反应谱： 第二章并联基础隔震原理及计算方法 窗 型 怄 协 掣 仁卜 * 图2 1 水平位移反应谱 i 阻尼小 溉 驵尼大 b - c s ；这仝 图2 2 水平加速度反应谱 一般钢筋混凝土建筑物刚度较大，周期短( 1 o s ) ，与地震波卓越周期较为接近，因此 结构地震反应加速度较大，如图2 1 中a 点，如延长结构周期，保持结构阻尼不变，则结 构加速度反应明显降低，但在位移反应谱中如图2 2 中，结构位移却有所增加，如图中b 点所示，若加大结构阻尼，则结构加速度反应继续减弱，位移反应也得到明显抑制，如图 中c 点。综上分析可知，延长建筑物第一自振周期可以大大降低结构的加速度反应，但位 移反应却有较大增加，对于普通结构来讲，过大的结构位移对于结构是十分有害的，自振 周期与建筑物的质量和刚度有关，因此要改变建筑物自振周期应通过改变建筑物的质量和 刚度来实现，一般来讲，质量不易改变，故改变结构剐度是延长结构周期的唯一方法。在 基础隔震早期研究阶段，有人曾提出通过在底层设置柔性柱，来降低建筑物刚度，延长建 筑物周期，但由于结构的侧向变形和结构自重的耦合作用，加剧了柱子的弯曲问题，因此 在后来的实际地震考验中，遭到严重破坏，被证明是错误的。 目前广泛应用的叠层橡胶支座可以解决这种问题，它不但具有良好的侧向变形能力， 而且具有稳定的竖向刚度，并不会因为过大的水平变形而出现弯曲屈服问题，因为建筑物 的水平位移均有隔震层来承担，上部结构基本属于平动