隔震結(jié)構(gòu)抗震分析方法綜述

1、隔震結(jié)構(gòu)抗震分析方法綜述劉暢土木工程2014105110隔震結(jié)構(gòu)抗震分析方法綜述摘要：作為突發(fā)的自然現(xiàn)象，地震給人們造成了不可挽回的巨大損失，文章通過介紹地震的危害，引出新技術(shù)隔震結(jié)構(gòu)。指出了隔震結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成以及其對比傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性，并總結(jié)了近些年在期刊、專著或者是學(xué)位論文中在隔震結(jié)構(gòu)的抗震分析中使用到的幾種基本方法。文章最后，辯證的指出了目前隔震結(jié)構(gòu)研究還存在的問題，展望了不久的將來。關(guān)鍵詞：地震、隔震結(jié)構(gòu)、抗震分析；地震是一種突發(fā)性的自然現(xiàn)象，地震時(shí)釋放的地震能量造成了人類生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，是人類所面臨的最主要的自然災(zāi)害之一。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)致力于保證結(jié)構(gòu)本身具有足夠的強(qiáng)度

2、、剛度和延性，使建筑做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”，從而達(dá)到減輕地震災(zāi)害的目的。但是，從最近幾年發(fā)生的四川汶川地震和海地地震造成的巨大災(zāi)難來看，原有抗震模式在強(qiáng)震下的不足，并且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量不同性質(zhì)，不同類型的建筑物如雨后春筍般拔地而起。如何最大限度的確保在強(qiáng)烈地震作用下此類結(jié)構(gòu)的安全，不致使人民生命安全和財(cái)產(chǎn)遭受重大損失；如何保證地震發(fā)生時(shí)建筑物內(nèi)精密技術(shù)設(shè)備能夠正常運(yùn)行而不會(huì)由于遭受建筑物的地震反應(yīng)而破壞，這些都是結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又重大的課題，而我們稱之為“工程結(jié)構(gòu)的減震控制技術(shù)”的出現(xiàn)及其應(yīng)用(即隔震技術(shù))，同時(shí)滿足了結(jié)構(gòu)的使用性和安全性要求，也為解決

3、這類特殊問題開辟了新的途徑，各種隔震結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用也成為一種未來結(jié)構(gòu)抗震的趨勢和潮流。隔震是一種革新的抗震方法，它旨在解除結(jié)構(gòu)與地面運(yùn)動(dòng)的耦聯(lián)關(guān)系，通過增加結(jié)構(gòu)的柔性與提供附加阻尼來減小輸入到結(jié)構(gòu)中的地震作用。我國的隔震研究開始于上個(gè)世紀(jì)70年代，早期主要是針對砂墊層滑移隔震的研究，并在云南和四川進(jìn)行了小型工程試點(diǎn)。80年代后，開始了采用多種隔震裝置的隔震結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用嘗試，并陸續(xù)建成了沙墊層隔震建筑、滑移塊隔震建筑、石墨砂漿層鋼棒消能隔震建筑，并且于1994年建成了第一幢疊層橡膠支座隔震住宅樓。此后，采用橡膠隔震支座的隔震建筑和滑移支座的隔震建筑在我國不斷得到應(yīng)用6。結(jié)構(gòu)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)物

4、底部或某層間設(shè)置隔震裝置而形成的結(jié)構(gòu)體系，它包括上部結(jié)構(gòu)，隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分。隔震層可以有四個(gè)不同的位置布置，即基礎(chǔ)隔震，層間隔震，首層隔震和頂層隔震。隔震結(jié)構(gòu)體系是區(qū)別于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系的一種被動(dòng)控制體系，通過設(shè)置隔震層來吸收并消耗地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，確保結(jié)構(gòu)的安全。隔震結(jié)構(gòu)體系改變了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系的耗能原理，即通過隔震層的耗能裝置、而不是結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件來吸收并消耗地震能量，這種優(yōu)越的耗能特性是傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系所不能夠?qū)崿F(xiàn)的。經(jīng)過近三十年的研究，隔震技術(shù)在應(yīng)用基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用等方面取得了較大的研究成果。目前結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法主要分為兩大類:時(shí)域分析方法和頻域分析方法，文獻(xiàn)

5、1，2，3等對隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)域分析方法有較詳細(xì)的論述，計(jì)算模型有：質(zhì)點(diǎn)系平動(dòng)模型；質(zhì)點(diǎn)系平動(dòng)加轉(zhuǎn)動(dòng)模型；考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)系模型；空間分析模型等?，F(xiàn)階段非隔震的高層和超高層隔震建筑，進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)的分析模型和計(jì)算軟件已經(jīng)在工程界得到了較廣泛的應(yīng)用。對于高層和超高層、塔型等大高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系，由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究、工程應(yīng)用、強(qiáng)震觀測記錄、震害觀測等方面的不足，需要在地震反應(yīng)計(jì)算分析模型、簡化計(jì)算模型和實(shí)用設(shè)計(jì)法等方面進(jìn)行深入的研究探討。 我國2010年頒布的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出對多層隔震結(jié)構(gòu)房屋可以采用剪切型多質(zhì)點(diǎn)計(jì)算模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，對大高寬比的高層和超高層、塔型隔震結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型等都

6、沒有作說明4。在一篇名為夾層橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的碩士學(xué)位論文進(jìn)行析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，采用的是基本的多質(zhì)點(diǎn)隔震體系模型，與之相近研究方向的關(guān)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系的分析的碩士學(xué)位論文，均采用的多質(zhì)點(diǎn)模型；一篇橡膠隔震支座力學(xué)性能及隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究的博士學(xué)位論則研究探討采用多質(zhì)點(diǎn)系計(jì)算模型計(jì)算大高寬比隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；對底層柱頂隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度和超設(shè)防烈度作用下的抗震性能分析，應(yīng)用有限元軟件建模，進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析5；大底盤多塔隔震結(jié)構(gòu)的抗震分析方法同樣也是軟件建模之后進(jìn)行同時(shí)考慮上部結(jié)構(gòu)彈塑性與隔震支座非線性行為的抗震分析；大跨度連續(xù)鋼桁梁橋的抗震性能采用通用有限元程序建

7、立該橋空間有限元模型，采用非線性時(shí)程分析方法對未隔震及應(yīng)用摩擦擺支座隔震后的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析；在某些情況下，隔震結(jié)構(gòu)采用分離式計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于使用統(tǒng)一的減震系數(shù)，部分樓層剪力調(diào)整偏大。采用振型分解反應(yīng)譜法，將隔震層和上部結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可有效解決這一問題。其實(shí)總結(jié)起來看，不難發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用雖然在汶川等大型地震之后備受關(guān)注，但是由于我國在此方面發(fā)展起步較晚，面對的問題相對較少，所以并不如日本以及歐美等發(fā)達(dá)國家。對于隔震結(jié)構(gòu)的抗震分析的方法雖然看起來比較少，顯得單薄，但是也能比較正確的解決我國目前所面臨的問題，能比較好的對需要的隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。目前，隔震

8、結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍由前文，根據(jù)隔震層的位置分為基礎(chǔ)隔震，層間隔震，首層隔震和頂層隔震。根據(jù)查詢的眾多資料文獻(xiàn)可以看出，有的時(shí)候如果隔震層位置在一層柱頂，也是可以歸類為基礎(chǔ)隔震，而很多學(xué)者研究方向也是放在基礎(chǔ)的隔震研究，只有少部分研究是在層間隔震以及頂層的隔震；對于不同的行業(yè)，有比如關(guān)于大跨度連續(xù)鋼桁梁橋支座隔震研究。當(dāng)然，也有一些比較不一樣的研究重點(diǎn)，比如新型鋼筋層的隔震。隨著現(xiàn)今社會(huì)越來越多的自然地震災(zāi)害，以及次生災(zāi)害，使得越來越多的學(xué)者放眼隔震系統(tǒng)和隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，這必然讓我們在防震減災(zāi)方面取得長足進(jìn)步。但是，應(yīng)理性的認(rèn)識到，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論和方法的研究還處于初始階段，還存在著很多的困難

9、和問題，在總結(jié)國內(nèi)外該領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，在以下幾個(gè)方面的認(rèn)識上還存在一定的問題：1、結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的劃分。目前結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的劃分依據(jù)主要來自結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和地震經(jīng)驗(yàn)，而現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)和居住環(huán)境條件的改變使得原有的性能水準(zhǔn)的劃分不能很好適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展。2、結(jié)構(gòu)性能設(shè)防目標(biāo)的選擇。原有建筑抗震設(shè)計(jì)的設(shè)防目標(biāo)主要是由工程師根據(jù)規(guī)范所規(guī)定的最低設(shè)防要求確定的，缺少業(yè)主的主動(dòng)參與，而基于性能的抗震設(shè)計(jì)是在滿足建筑性能最低社會(huì)需求的基礎(chǔ)上面向業(yè)主、注重建筑個(gè)性的，因此，考慮業(yè)主參與選擇的多級性能設(shè)防目標(biāo)亟待建立。3、描述結(jié)構(gòu)抗震性能的參數(shù)及其評價(jià)指標(biāo)。采用單一的控制結(jié)構(gòu)破壞和結(jié)構(gòu)正常使用的性能參數(shù)有不盡

10、科學(xué)與完善之處，并且基于多級設(shè)防目標(biāo)的性能參數(shù)評價(jià)指標(biāo)需要大量的實(shí)驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)的積累。4、基于性能的抗震設(shè)計(jì)原則和效益評估?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)是一種面向未來的設(shè)計(jì)，基于結(jié)構(gòu)全壽命周期的投資-效益評估是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)決策的基本原則，而結(jié)構(gòu)全壽命周期投資-效益評估是一個(gè)涉及工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及人類倫理的復(fù)雜體系，目前仍是一個(gè)十分棘手的難題。我國算是一個(gè)自然災(zāi)害頻發(fā)的國度，雖然沒有火山海嘯的入侵，但是地震總是不可避免的。中華民族是一個(gè)重視安全的民族，這必將指導(dǎo)人們不斷研究具有安全保障的結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物，相信未來的研究前景必然光明。參考文獻(xiàn)：1. Architectural Institute

11、of Japan. "Recommendation for the Design of Base Isolated Building"M. 1993. Tokyo: Marozen Corporation.2. 周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制 M.1997.北京: 地震出版社.3. Bashshi, A., Shimazu, T. and Araki, H. "A Practical Proposal for Seismic Isolation Design Against Extremely Strong Earthquakes" C. 2000. 12WC

12、EE 1336.4. 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).疊層橡膠隔震支座隔震技術(shù)規(guī)程S. 2010.5. 江棟恒超烈度的柱頂隔震結(jié)構(gòu)抗震性能分析 J 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版，2014，36 (4) ：341346，372.6. 郭永恒. 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計(jì)方法研究D. 廣州：廣州大學(xué). 2007.7. 鄧烜，葉烈偉，郁銀泉，曾德民，高曉明. 大底盤多塔隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J . 建筑結(jié)構(gòu)，2015，45（8）：13-18，24.8. 王志英，張常勇. 大跨度連續(xù)鋼桁梁橋摩擦擺支座減隔震設(shè)計(jì)分析J . 橋梁建設(shè)，2015，45（2）：58-64.9. 薛彥濤，巫振弘. 隔震結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜計(jì)算方法研究J . 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（4）