隔震结构的基本特性和减震机理探讨
杨建江等：隔震结构的基本特性和减震机理探讨
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隔震结构的基本特性和减震机理探讨
杨建江，苏光辉
（天津大学建筑工程学院。
天津３０００７２）
【摘要】隔震结构指在建筑物基础与上部结构之间设置隔震层，来增大阻尼、延长结构体系的自振周期、
减小向上部结构的地震作用输入，达到预期的防震要求。文中对具体工程进行设计和分析，对隔震技术的基本原
理、隔震设计、隔震装置等方面作了较全砸的论述，并采用有限元模型进行模态分析和非线性时程分析，较深入地研究了隔震结构的基本特性和减震机理。
【关键词】隔震设计；隔震装置；隔震层；模态分析；非线性时程分析
【文献标识码】
Ｂ
【中图分类号】＇１３＿１３５２．１２
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【文章编号】１００１—６８６４（２０１２）１１—００４２—０３
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隔震体系采用“以柔克刚”、“软化”结构隔离地震的新途径，于建筑物上部结构和基础之间设置隔震层，达到结构的防震要求。文中通过对实际工程的隔震设计和分析，对隔震技术的应用和隔震结构的基本特性和减震机理做了较深入的研究和论述。
１
要，为了减轻上部结构的地震作用，减小地震能量向上部结构的传递，对该工程进行隔震设计，并对基础固定结构和基础隔震结构进行比较分析，研究隔震体系的基本特性和减震机理。
２隔震的基本原理
隔震结构是指在结构物基础与底部间加设一层“隔离层”来控制地面运动向上部结构的传递。它包括隔震装置、上部结构和下部结构三部分见图１。
隔震体系的基本原理是：利用隔震系统使结构自振周期延长，给予适当阻尼大大减弱结构物的加速度，让结构的
工程概况
某３层框架结构，地震基本加速度为０．２９，设防烈度为
８度，场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为乙类，采用Ｃ３０混凝土，层高为３．６ｍ，楼板厚为１２０ｍｍ，梁截面尺寸为３００ｍｍ×５００ｍｍ，柱截面尺寸为５００ｍｍ
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［作者简介］卢明辉（１９８１一），男，河北唐山人，硕士，助教，从
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低温建筑技术２０１２年第１１期（总第１７３期）
变形能量不是结构自身的相对变形承担，而主要由隔震系统承担，所以在地震过程中输入到上部结构的能量很小，为建筑物的地震防护提供更好的安全保障，见图２。上部结构物在地震中的水平变形，成为隔震结构的“整体平动型”，而不是传统抗震结构的“放大晃动型”，上部结构在强地震中处于
承载特性：隔震装置竖向承载力安全系数很大，竖向承载能力较大，确保建筑结构物在使用状况下满足使用要求和绝对安全。
隔震特性：隔震装置的水平刚度特性具有可变性（隔震装置的荷载Ｆ一位移Ｍ关系曲线见图４）。
水平
图１结构隔震体系
图２结构变形比较
中强地震时，其水平刚度Ｋ２小，上部结构水平滑动，
３隔震结构的优越性
隔震体系与传统结构相比，优点表现在以下方面：明显有效地减轻结构的地震反映；上部结构自身相对变形大大减小；震后只需必要地修复隔震装置，无需考虑结构物的修复；抗震措施明了，减震机理明确；可用于重要建筑物、一般房屋结构、新建结构物、已有建筑的抗震加固改造。４隔震结构设计要点
隔震建筑的上部结构类型并无特别限制。隔震层顶部需设置一层楼板，增加隔震层顶部梁板的配筋及截面，以保证其在平面内的刚度足够大。隔震层可设置在不同的位置：上部结构与基础之间、上部结构与下部结构之间、上部结构的层间见图３。
“刚性”的抗震结构变为“柔性”的隔震结构，上部结构的地震反应明显地降低，自振周期大大延长，有效地隔开地面震动。微小地震或强风时，具有足够的水平刚度鼢，上部结构水平位移小，不影响使用要求；上部结构物在地震中的水平变形，从抗震结构的“放大晃动型”成为隔震结构的“整体平动型”。上部结构在强地震中处于弹性状态。
复位特性：隔震装置使隔震结构体系在地震中瞬时自动“复位”，具有水平弹性恢复力。地震后，上部结构回复至初始状态，可以满足正常使用要求。
阻尼消能特性：隔震装置阻尼ｃ足够，即隔震装置的荷载Ｆ一位移ｕ曲线的包络面积较大（图４），消能能力较大。较大的阻尼ｃ使上部结构的位移ｘｓ明显减小（隔震结构的位移反应与阻尼的关系见图５）。６模态分析和非线性时程分析
隔震层在基础顶隔震层在地下室柱顶图３隔震层位置
层间隔震
■一
图６基础固定结构
有限元模型
图７基础隔震结构
有限元模型
隔震装置的布置可采用刚性底盘法，最有效的方法是一柱一支座。根据隔震层的水平刚度和阻尼比等参数、上部结构的竖向荷载，确定隔震支座的布置及型号。隔震层刚度中心应与上部结构质量中心重合。上部结构和隔震层部件应与周围固定物脱开一定距离。须设置隔震沟。下部结构根据地下室的结构布置，可采用独立柱、独立柱顶加拉梁、柱周围设独立短肢剪力墙等形式。隔震房屋应选用稳定性较好的基础形式。５隔震装置的基本特性
该工程隔震层采用１６个ＧＺＰ３００叠层橡胶隔震支座，隔震层在基础顶，隔震层顶部楼板厚１２０ｒａｍ，隔震层上、下梁截面５００ｍｍ×７００ｒａｍ，隔震支座布置用一柱一支座。为了使减震效果明显，隔震装置须具备的基本特性如下。
为了使地震能量向上部结构的传递减小，使上部结构的地震作用减轻，采用ＡＮＳＹＳ程序建立有限元模型，分别对基础固定结构与基础隔震结构进行了模态分析和动力时程分析，并进行了比较，见图６、７。该工程模型的梁、柱选用ＢＥＡＭ４单元，楼板采用ＳＨＥＬＬ６３单元。水平隔震单元选用ＣＯＭＢＩＮ４０单元，该单元通过一个阻尼系数Ｃ＝０、两个节点、两个弹簧常数Ｋ１＝３．５
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１０５Ｎ／ｍ和／℃２＝０．０００５Ｎ／ｍ、一
个间隙大小ＧＡＰ＝０、一个质量Ｍ＝２００ｋｇ和一个界限滑移力ＦＳＬＩＤＥ＝３５７００００Ｎ定义，竖向隔震单元选用ＣＯＭＢＩＮｌ４，只需定义其弹簧刚度Ｋ＝９．１３
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１０８Ｎ／ｍ。地震波为天津
杨建江等：隔震结构的基本特性和减震机理探讨
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图８天津波
６．１前６阶振型频率
表Ｉ两种基础形式自振频率对比
从表１明显可以看出采用基础隔震技术，可以提高结构自振周期，基础隔震结构自振频率远低于基础固定体系，从而避开建筑场地的卓越周期，减少发生共振的可能性。６．２位移时程曲线
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图９基础隔震结构基础顶面位移时程曲线
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图１０基础隔震结构顶层楼盖位移时程曲线
由图９、图１０可见，隔震结构在地震作用下，上部结构基本上整体水平平动，结构的变形集中在隔震层。当顶层达到最大位移时，顶层相对底层的位移非常小，基础隔震体系底层位移较大，铅芯橡胶隔震垫能减少地震对建筑物的破坏，很好地消耗地震能量。６．３加速度时程曲线
由图１１、图１２可见，基础隔震结构有着较好的降低地震输入能量的效果，顶层加速度峰值大大降低。而且由分析可知，基础隔震的层间剪力远小于基础固定结构的层间剪力。
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图１１基础固定结构顶层加速度时程曲线
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图１２基础隔震结构顶层加速度时程曲线
７结语
隔震技术概念简单，减震效果明显，是结构抗震的新对策、新技术，减震机理明确，安全可靠；采用隔震技术，可避开建筑场地卓越周期，提高结构自振周期，减少共振的可能性；隔震体系的主振型表现为上部结构物的整体水平平动，结构的变形主要集中在隔震层，铅芯橡胶隔震垫可以减少
地震对建筑物破坏，很好地消耗地震能量；隔震体系可以较
大地降低顶层加速度的峰值、层问位移和基底剪力等，隔震性能良好；隔震技术正在不断地成熟和发展，并已成功应用于大量现代建筑中，其必将为人类战胜地震灾害提供更可靠的保障。
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［收稿日期］２０１２—０６—２６［作者简介］
杨建江（１９５６一），男，天津人，博士，教授，从事工程结构抗震加固与混凝土结构教学与研究。
隔震结构的基本特性和减震机理探讨
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
杨建江， 苏光辉， YANG Jian-jiang， SU Guang-hui天津大学建筑工程学院,天津,300072低温建筑技术
Low Temperature Architecture Technology2012,34(11)
参考文献(7条)
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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dwjzjs201211018.aspx