建筑物基础隔震的基本原理及分析方法研究

建筑物 基础隔震的基本原理及分析方法研究

刘雷斐 孙世恒

商丘工学院 476000

摘要：随着社会的发展，特别是近几来年，隔震结构在地震中表现出较好的隔震效果，隔震技术得到越来越多的关注。经过几十年的发展，隔震技术在理论分析、实验、隔震支座的设计等都已经逐渐成熟。本文基于基础隔震结构的原理及特性，结合隔震支座的分类、构造及性能，探讨建筑物基础隔震的分析方法。

关键词：建筑；基础；隔震

1基础隔震结构的原理及特性

地震对结构的破坏是由地面运动而引起的建筑物受迫振动所致。基础隔震的基本原理就是通过设置隔震系统，使结构在基础层与上部结构之间能够做有限的柔性滑动，从而减小结构的水平刚度、延长结构的自振周期、有效降低结构在地震中的加速度反应。周期延长后结构的位移必然会增大，通常在隔震层设置适当的阻尼装置，以增大结构整体阻尼并赋予结构自动复原的能力。地震能量大部分被隔震层所消耗，上部结构只做轻微平动。结构在地震作用下的地震响应与其自振周期及阻尼有关。对于中低层框架结构、砌体结构，其水平自振周期较小，通常很接近场地的特征周期，地震响应较强。隔震结构的加速度反显著降低，隔震结构的水平刚度的减小使得结构的位移反应增大。为此隔震层中通常会设置阻尼器，以增大结构的整体阻尼使得结构的位移反应点降低。

因此在隔震设计时，可以通过调整隔震支座与阻尼器的组合来控制结构的自振周期和阻尼，隔震装置的选取及布置合理与否，是一个隔震建筑隔震效果好坏的关键。

2 隔震支座的分类、构造及性能

2.1隔震支座的分类

2.1.1隔震装置

叠层橡胶支座隔震；铅芯隔震橡胶支座；带阻尼材料芯叠层橡胶支座；高阻尼隔震橡胶支座；叠层橡胶支座加钢材阻尼器；叠层橡胶支座加各种阻尼。

2.1.2摩擦滑移隔震

滑移板加复位阻尼装置；石墨滑移层加复位消能装置；砂砾滑移层加复位消能装置。

2.1.3滚动隔震

双向轴承加复位消能装置；滚球加复位消能装置；滚球带凹形复位板。

2.1.4支撑摆动隔震

一个完整的隔震装置系统一般是由隔震支座，阻尼器， 风振和轻微地震动反应控制装置三部分组成，其中隔震支座是该系统的核心部分。其中，国内外应用最广泛的、技术发展最成熟的隔震装置是叠层橡胶支座。

2.2.2常用隔震支座的构造及其性能

（1）天然叠层橡胶支座（NRB）

天然橡胶支座是由人工橡胶或纯天然橡胶片与薄钢板，通过胶粘剂层层交互叠粘在一起，通过高温加压硫化形成的整体，再设置较厚的上下封板便于与建筑构件相连结。为使支座具有更好的耐水、耐火、耐老化、耐腐蚀、耐高低温等特性，支座外侧一般有一层橡胶材料的保护层;为保证支座在硫化过程中受热均匀，通常隔震支座上留有中心孔。常用橡胶支座的平面形状为圆形。

天然橡胶支座的滞回环的面积很小，滞回特性与轴力及位移历程变化的相关性不大，阻尼特性可以忽略，具有较为稳定的弹性性能。在设计中，其恢复力模型通常采用线弹性模型，可与多种阻尼器组合应用来获得隔震层所需的滞回性能。

（2）铅芯橡胶隔震支座（LRB）

铅芯橡胶支座是指在天然橡胶支座的中心孔等部位灌入纯铅而形成的支座，在正常状态下，铅芯的初始屈服刚度能够为支座提供抵抗风振及轻微地震动等外部环境振动的能力，而在地震作用下，铅芯以其屈服后所产生的粘滞耗能作用消耗地震能量，减小隔震结构的地震响应。与其他材料相比，铅能够在常温下迅速再结晶，不易出现硬化现象，可长期反复使用，可见铅芯橡胶支座可同时起到阻尼器的作用及隔振器的作用。

铅芯橡胶支座在压剪试验中所表现的典型滞回曲线的形状饱满，接近菱形，滞回环呈双线型，在结构分析时，通常将其的恢复力模型为修正为双线型模型。分析模型中的参数均通过实验分析取得。

（3）高阻尼橡胶隔震支座（HDR）

高阴尼叠层橡胶支座是对天然橡胶支座的改良，即通过添加剂使橡胶本身具有阻尼特性，同时提高橡胶的抗劣化性能。高阻尼橡胶隔震支座滞回环的面积较大，耗能能力好，根据滞回曲线可知，高阻尼橡胶支座具有较高的粘弹性、黏弹塑性特性，在变形较小的时候表现为非线性目阳尼较大，其等效刚度随水平位移的增大逐渐减小，

从加载历程来看，这种支座的力学参数与位移历程、加载次数及变形大小等因素相关，其计算模型较为复杂。在结构分析时，多采用修正的双线型恢复力模型。

（4）摩擦滑移隔震支座

摩擦滑移隔震支座的关键元件是滑移材料，这些材料不仅要有足够的竖向刚度，以承载上部结构荷载，还要有较低的摩擦系数，以使支座具有较好的隔震效果。常用的滑移材料有：砂粒层、石墨、云母及聚四氟乙烯等。常见的滑动支座有两种：一种是弹性滑动支座，是以橡胶支座下部与滑动材料连接而成;一种是刚性滑动支座，是不锈钢层与聚四氟乙烯连接而成。

2.3基础隔震体系的分析方法

2.3.1单质点基础隔震结构的动力分析

基础隔震结构的隔震层刚度远远小于上部结构的刚度，可以近似认为此时的上部结构只做微小的整体水平运动，简化为单质点隔震体系动力分析模型，偏安全的忽略上部结构自身的阻尼，隔震体系的水平刚度及整体阻尼可以用隔震层的总刚度及总阻尼来代表。

2.3.2多质点基础隔震结构的动力分析

对于采用基础隔震的高宽比较大的多层钢框架、高层钢筋混凝土结构，在地震作用下以剪切变形为主，此时采用多质点体系进行动力分析才更加接近结构的真是受力状况。

多质点模型的上部结构可以分为杆件模型和层模型。杆件模型是以梁柱等杆件构件作为基本单元，并假定各杆件质量集中于各节点，可用于求解结构各杆件的变形及内力;层模型又可以分为扭转模型、层弯曲模型和层剪切模型。

（1）扭转模型适用于隔震层刚度中心与上部结构重心不重合的隔震结构。

（2）层弯曲模型是在假定楼板在白身平面内刚度无限大的情况下，同时考虑竖杆的剪切变形及弯曲变形所引起的层间位移的计算模型，适用于高层框架及框筒结构等隔震层刚心与上部结构质心重合的基础隔震结构。

（3）层剪切模型是以每个楼层为基本单元，把结构简化成的一个"串联质点体系"振动模型，适用于以层间剪切变形为主的多层框架结构及砌体结构。该模型的基本假定有

①楼盖平面内刚度无穷大;

②不考虑竖向变形所引起的结构摆动;

④不考虑相邻楼层间力和变形的相互影响，模型的各层刚度仅由本层各竖向构件的刚度决定。

2.4 基础隔震结构振动微分方程的时程法求解

当作用于结构的外荷载形式为解析函数时，通过采用时域分析法中的 Duhamel积分法或者频域积分法中的 Fourier变换法均可求结构体系的动力反应解。不过这两种方法都要求结构是线弹性的，它们理论基础是叠加原理，因此，当作用荷载没有解析表达式（如地面地震荷载）或解析表达式比较复杂（非线性）时，上述方法将不再适用。对于隔震结构的动力微分方程一般使用时程分析法进行求解，因为它是一个随地面加速度的变化而变动的曲线， 而地面加速度又是随时间做不规则改变的。因此动力微分方程不能用简单的时间函数来表示，况且隔震层的恢复力曲线也是星现非线性的。时程分析法是一种动力分析法。其解是通过对运动微分方程进行逐步积分得到，时程分析法也称直接动力分析法，因为它就是直接对动力微分方程积分求解。

2.5本文小结

本文介绍了基础隔震结构的基本原理及其变性特征，对现有隔震装置的构造及其力学性能进行了对比和总结，并对基础隔震结构的简化计算模型进行了推导。最后用时程分析法对隔震结构的动力微分方程进行了求解，对基础隔震结构的原理有了进一步的理解，为后续弹塑性时程分析提供校核参考。

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