基础隔震结构能量反应分析*

郝润霞，段案清

(内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014000)

随着房屋建筑科学技术的进步，人们对住宅性能要求的提高，传统的抗震结构已经不能满足我们的需求，隔震结构作为建造房屋的黑科技，正在一步一步走向大众的视野.结构基础隔震体系一反从前的传统抗震体系，他是在结构底部设置一个可以产生变形的隔震层，隔震层集中消耗了地震所带来的大量能量.从而有效阻止能量向上部结构传递，使整个体系稳定不破坏[1-4].随着基础隔震结构技术的完善，国内外学者在这方面的研究也逐渐在加深.王建强等[5]对进行基础隔震结构设计的摩擦摆支座进行研究，发现当基础隔震结构考虑双向地震即XY向和地震的设防烈度以及隔震支座的摩擦系数时对结构具有较大影响.王雪鹏等[6]研究了关于基础隔震的隔震效应，同时也研究了层间的隔震效果，发现了二者不同的变化规律.

使用有限元软件Etabs通过研究场地类别及支座不同布置方式对地震的总输入能的影响，采用铅芯橡胶支座及传统的天然橡胶支座铺设隔震层，研究了场地类别及支座布置方式对地震动输入能量的影响，为这2种支座以后在实际工程的运用提供了一定的参考依据.

1 基础隔震结构能量方程

基础隔震结构的作用，在本质上就是地震能量传递、转化及消散的过程.引入基础隔震结构方程.从能量的角度对基础隔震结构的隔震层、上部结构的耗能能力进行讨论.

组合基础隔震结构运动方程为：

(1)

组合基础隔震系统的能量反应方程，可简记为：

Ev+Ec+ES+Ed=Ei.

(2)

式中：Ev是其动能，Ec是其粘滞阻尼耗能，ES是其变形耗能，Ed是其隔震层耗能，Ei是其总能量.

式中：RS是其变形耗能比.

通过上面的隔震结构能量方程不难发现影响隔震结构能量反应的因素.结构动能Ev为非直接耗散能量，在地震作用终止时结构的动能也随之降为0.

结构阻尼耗能Ec在强震作用下，隔震装置率先进入非弹性的状态，大量地吸收或隔离地震的能量，使上部结构做近似刚体的水平运动，上部结构基本保持为弹性状态，因为隔震层吸收了大量的能量.结构变形耗能，是衡量隔震结构的隔震效果重要指标.Ed隔震系统耗能为隔震结构的主要耗能方式.

2 结构概况

工程以内蒙古包头市萨拉齐一所中学为背景，属自拟工程.结构的模型如图1所示，上部的结构是1个4层的矩形钢筋混凝土框架结构，混凝土标号为C35，钢筋混凝土框架结构标准层的高度为3.9 m，首层的高度为4.2 m.不考虑风荷载及雪荷载的影响.结构的抗震等级为二级，设计地震的分组为第二组，抗震设防的烈度为8度，各布置方案组成的隔震系统自振周期见表1.

隔震支座的布置方式在支座分布上总共有4种，第一隔震层单一布置其中1种支座；第二隔震层布置2种支座，2种支座在分布上呈现分散布置；第三隔震层布置2种支座，2种支座在分布上呈现集中布置；第四隔震层布置2种支座，其中1种支座分散分布在四周，另1种支座集中分布在中间.

所以根据上述分析，选择5种最具有代表性的隔震层布置方式，如图2～6所示.其中图2基础隔震布置方案一为各柱下布置天然橡胶支座的形式；图3基础隔震布置方案二为各柱下布置铅芯橡胶支座的布置形式；图4基础隔震布置方案三为中间布置天然橡胶支座，四周布置铅芯橡胶支座的布置形式；图5基础隔震布置方案四铅芯橡胶支座及天然橡胶支座的分散布置；图6基础隔震布置方案五为铅芯橡胶支座及天然橡胶支座的集中布置.每类场地条件下取5组地震波，其中天然波使用Seismo Signal软件合理选择3条，人工波使用人工地震波合成器根据场地特征周期以及地震波持续时长合理拟合2条.设防烈度按照八度罕遇地震下进行考虑，后面为5条地震波计算的结果平均值，即每类场地条件下所取.

3 地震波的选取

地震波的选取是结构进行动力时程分析的首要内容，为了使结构的地震反应更加符合实际情况，选波时要针对建筑结构的工程场地及设防烈度选取具有代表性的地震波.根据每类场地类别各选取了3条自然地震波.

表2 地震记录表

进行结构的动力响应分析时，所选的地震波一般各方面要求同时达标是很难的，这时我们就要对所选取的地震波参数进行调整，使它的峰值加速度与其之前确定好的地震加速度的峰值相等.以第三类场地条件下为例，如图7第三类场地地震波反应谱所示，为调整后地震波反应谱.

4 不同支座布置方式下结构能量反应分析

4.1 结构的总输入能量在支座不同布置方式下的影响

从图8结构总输入能量中可以看出，结构的总输入能量随场地土由硬到软逐渐增大，即随着场地类别的变化而逐渐变化.由于土层的滤波特性，在同一设防烈度条件下，Ⅰ，Ⅱ类场地结构的总输入能量相比于Ⅲ，Ⅳ类场地条件下结构的总输入能量小很多，使得场地的卓越周期根据土层的由硬到软而逐渐变大，结构的自振周期逐渐接近于场地的卓越周期，从而导致地震的反应逐渐变大，即结构的总输入能量逐渐变大.2种支座的混合布置能量小于单纯布置1种支座所产生的能量，所以现有工程大多数采用混合布置天然橡胶支座和铅芯橡胶支座的布置形式.总输入能量的大小在Ⅰ，Ⅱ类硬土场地的条件下,2种支座的混合布置方式对其影响可以忽略;在Ⅲ，Ⅳ类软土的场地条件下，支座的分散布置(方案三、四)的总输入能量略小于集中布置的方式(方案五).

4.2 结构隔震层位移在不同支座布置方式下的影响

从图9结构隔震层位移中可以看出，针对Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类场地，单纯地布置天然橡胶支座是不合理的，原因是本工程案例采用直径为700 mm的天然橡胶支座和直径为700 mm的铅芯橡胶的支座，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)第12章12.2.6规定，对橡胶的隔震支座，不应超过该支座的有效直径的0.55倍和支座的内部橡胶的总厚度的3.0倍二者的较小值[7-10]，根据案例的计算结果，则支座的隔震层位移不可超过385 mm.而单纯地采用铅芯橡胶支座虽然在任何场地类别下都可以保证最小的隔震层位移，但是考虑到结构总输入能量和造价等方面的因素，采用铅芯橡胶支座与天然橡胶支座混合布置更为适宜.

4.3 上部结构变形耗能比在不同支座布置方式下的影响

从图10上部结构变形耗能比中可以看出，无论在何种场地类别下，单纯的布置天然橡胶支座是不可取的，变形耗能比较大，上部结构分担了较多的能量，没有达到隔震的目的，而在Ⅰ类场地类别下，支座的其他不同布置方式对结构的影响不大，上部结构的变形耗能比由场地土质的由硬到软在逐渐减小，说明隔震结构相比于硬土条件更适应于软土，在这种场地土条件下地震能量更多地被隔震层消耗，方案二优于其他方案，但是考虑到造价等各方面因素的影响，采用方案三(四周布置铅芯橡胶支座中间布置天然橡胶支座)更为适宜.

5 结论

对铅芯橡胶支座和天然橡胶支座的布置方式进行了能量反应分析，主要得到以下结论：

(1)结构的总输入能量随着场地土的由硬到软而逐渐变大，2种支座的混合布置能量小于单纯的布置1种支座所产生的能量，且2种支座的分散布置能量小于集中布置；在同一设防烈度下，Ⅰ，Ⅱ类场地条件下结构的总输入能量远小于Ⅲ，Ⅳ类场地条件下结构的总输入能量.

(2)在不同的支座布置方式下，单纯地采用铅芯橡胶支座在罕遇地震下支座位移是最小的，但是考虑到造价和结构总输入能量的性能，采用四周布置铅芯橡胶支座中间布置天然橡胶支座更为适宜.

(3)上部结构的变形耗能比受隔震层支座布置方式以及场地土的软硬程度控制，当场地土越硬时，耗能比越大，耗能比的大小与场地土的软弱成正比，隔震层吸收的能量与上部结构耗能比成反比，能量的分配更加合理，可以更有效地保护上部结构.