橡胶垫隔震结构弹塑性动力分析

第!!卷第"期建筑结构#$$!年"月橡胶垫隔震结构弹塑性动力分析张玉良汪洋张铜生（清华大学土木工程系北京"$$$%&）［提要］采用’()*#+$程序，对我国首栋橡胶垫隔震结构进行双向地震波作用下的弹塑性动力分析。

分析结果表明，隔震装置的水平变形和耗能能力可以大大减轻地震对结构的影响。

最后，对橡胶垫隔震结构的动力分析及工程应用提出了有益的建议。

［关键词］橡胶垫隔震弹塑性动力分析’()*#+$,-./0123-./045678.945.8.-7/4/:1;0<=:4;/0/0;>50>;=?40<;>@@=;@=.;48A/@./=24/1-.0418/7/0=948B<48.4/3=;:1;9=6 @70<=3;1A;.9’()*#+$C)<=/0;>50>;=4/.//>9=601@=>86=;@464;=50418.-=.;0<D>.E=?.F=/C*551;648A010<=;=2 />-0/，0<=/=4/945;=/318/=1:0<=/0;>50>;=4//4A84:45.80-7;=6>5=6@70<=64/01;0418.86=8=;A764//43.0418.@4-4071:0<= @./=24/1-.0418/7/0=9C*0-./0，/19=/>A A=/0418/.;=1::=;=6180<=678.945.8.-7/4/.86.33-45.04181:/0;>50>;=/?40< ;>@@=;@=.;48A/@./=24/1-.0418/7/0=9C!"#$%&’(：;>@@=;@=.;48A/；@./=24/1-.0418；=-./0123-./045678.945.8.-7/4/；’()*#+$一、前言利用隔震装置较大的水平变形和耗能能力，隔震结构可以大大减轻地震对结构的影响，使结构抗震从传统的“硬抗”变成“软耗”。

在各种隔震装置中，应用最为广泛的是铅芯叠层钢板橡胶垫，其特点是具有较高的轴向抗压刚度及较小的水平抗侧移刚度。

应用隔震结构弹塑性动力分析程序’()*#+$［"］（’()*［#］的升级版本）对我国第一栋隔震房屋进行了分析。

程序采用杆系2层模型，能同时输入多维地震波进行计算。

在’()*#+$中，橡胶垫采用经改进的能考虑双向力和位移相互耦合的弹塑性恢复力模型，被视为特殊的柱单元。

程序还能考虑上部结构和下部隔震层阻尼不同的影响［"］。

二、工程概况"G G!年G月，我国第一栋采用橡胶垫隔震技术的多层隔震房屋［!，&］在广东省汕头市竣工。

该房屋是一栋%层钢筋混凝土框架结构的商住楼，房屋平面见图"。

两种橡胶垫的位置见图中编号!，"。

隔震房屋的首层是商场，层高!+H9，其余各层均为住宅用房，层高!+$9；房屋共%层，地面以上高度为#&+H9。

为便于进行技术比较，在与该隔震房屋相距"H9处建造了一栋按常规方法设计的、上部结构平立面布置与隔震房屋完全相同的普通抗震房屋。

但两栋房屋的构件截面与配筋不同，隔震房屋的构件要弱很多，构件断面尺寸见表"，其余结构参数见文［!］，［&］。

场地土为#类，场地特征周期为$+I"/。

汕头市为地震区，设防烈度为%度，设防烈度下场地最大加速度)构件楼层抗震房屋隔震房屋柱"#!$IH，J%I$$K H$$I$$K I I$&$$K I I$!I$K&I$!I$K&$$!I$K I I$!I$K I I$!I$K&I$!I$K!I$!I$K!I$梁"$IH$%#I$K H I$#I$K I I$#$$K I$$#$$K I$$为##$A.-。

根据图#所示橡胶垫力学性能试验曲线，按文［"］所述方法得到两种橡胶垫的各项性能参数，见表#。

值得注意的是，该结构中使用的两类橡胶垫的阻尼比都偏小，为"$L左右。

目前工程常用的橡胶垫阻尼比则大都在#$L左右。

为了更直观地说明使用橡胶支座的隔震效果，虚拟了一隔震结构，方法是在抗震结构底部直接加上橡胶支座，而不改变结构的构件尺寸和配筋，这样得到的隔震结构与抗震结构更加具备可比性。

先比较抗震结构与直接加橡胶垫的隔震结构在地震作用下的反应时& H程，然后给出构件截面减小的实际隔震结构在地震作用下的反应。

橡胶垫性能参数表!橡胶垫类型!"竖向刚度（!／"）#$#%&’())$(*&’()等效水平刚度（!／"）’$’%&’(*’$)*&’(*初始刚度!(（!／"）+$’(&’(*)$’)&’(*屈服后刚度!,（!／"）#$+-&’(#’$(*&’(*滞回环与纵轴交点".(（!）/$#*&’(+%$’’&’(+恢复力曲线形状参数#’(’(恢复力曲线形状参数".（!）/$#*&’(#%$’’&’(#阻尼比’(0’(0极限竖向承载力（!）%$’*&’(*’$’’&’(%三、抗震房屋与直接加橡胶垫隔震房屋的地震反应对比在抗震房屋底部直接加上橡胶垫后，同时增设了隔震层梁板体系，隔震层梁的断面取/((&%((。

’$结构动力特性对比用1234-$(计算得到抗震房屋和隔震房屋在弹性阶段的周期和振型，周期计算结果见表/。

隔震结构和抗震结构相比，各阶周期都有明显增长，离场地的特征周期较远，从而能够避开地震动的主要频段，减轻结构的地震反应。

抗震房屋和隔震房屋的自振周期（5）表"阶数抗震房屋隔震房屋实际隔震房屋’(6)+77’6%/)%’6)/()-(6%7)-’6*7)%’6%)(-/(6%-(/’6*/#7’6*)/++(6/’(+(6+7’/(6*’)(#(6-7)*(6+*++(6#*/**(6-*7-(6+’**(6#-+%%(6’%’’(6-+#’(6/-+()(6’%(((6-/#/(6/((--$结构地震反应对比以89:,;<=>波为例，对抗震房屋和直接加橡胶垫的隔震房屋进行地震反应时程分析。

该波的卓越周期与#类场地的特征周期近似，因此适用于#类场地上结构的地震反应计算。

与实际89:,;<=>波记录一样，对结构输入双向水平地震波。

按照最不利原则，在结构的薄弱方向，即$方向输入加速度峰值为/#($(?@9的89:,;<=>!A B波，%方向输入加速度峰值按比例放大为-’($’?@9的89 :,;<=>8A C波。

时程计算的时间为’(5。

（’）最大层间位移表+列出了抗震结构和隔震结构在双向地震波作用下各楼层的最大层间位移。

从其中可以看出：’）在隔震结构中，第(层即橡胶支座层的位移与钢筋混凝土楼层相比要大很多；-）隔震结构与抗震结构相比，各钢筋混凝土楼层的层间位移都有显著减小，有的楼层层间位移甚至减小一半多。

抗震结构与隔震结构的最大层间位移角都满足规范要求的’／#(之内。

由此可见，橡胶垫隔震层充分发挥了其大变形、消耗地震能量的作用，使得上部结构的地震反应明显减轻。

抗震房屋与隔震房屋层间位移峰值对比（""）表#楼层%方向$方向抗震房屋隔震房屋抗震房屋隔震房屋)#6(#-6/-’(6)++6*)%%6#(/6#7’#6//*6+%*’’6))+6+/-’6/+%6+*#*67%/6--’+6-%*6(++%6/%/6)#’#6/%*6+’/%6’-+6##’*6’)*6#+-#67+/6%7’+6)/#6)-’#6%%/67/’(67*+6--(D*76%-D7-67#度在最/。

，各际隔震房屋的各阶自振周期不仅比抗震房屋的长，而且比直接加橡胶垫隔震房屋的周期也长。

其原因是实际隔震房屋的构件截面和配筋都减小了，因此结构刚度更小，自振周期也就更长。

!"结构地震反应对比在计算中，输入实际隔震房屋的双向水平地震波与前面的相同，地震波持时也是#$%。

表&列出了抗震结构和实际隔震结构在双向地震波作用下的各楼层最大层间位移。

可以看出，虽然实际隔震房屋的构件截面和配筋比抗震房屋的要小很多，但是各楼层的层间位移除了下部几层在!方向有一定增加以外，其余各层间位移都有明显减小。

抗震房屋与隔震房屋层间位移峰值对比（’’）表!楼层!方向"方向抗震房屋隔震房屋抗震房屋隔震房屋(&)$&!)*$#$)(+*),$--)&$+)(,#&)..##)$,*##)((-)#.!#).+#-)!$&*),--)#-#+)!-#!)+!+-).-(),$#&).-#.).-.-)#!#$)!(#*)#(#+)&*!&),+,)(-#+)(.##).(#&)--#.)$&#$),*()(*$/&*)-&/++)#$由于构件较弱，实际隔震房屋在#$%地震持时内也有很多构件屈服破坏。

但与抗震结构相比，隔震房屋中屈服破坏的构件数量仍然要少很多。

因此总体来看，橡胶垫隔震结构的经济效益还是明显的。

由于篇幅有限，不再进行层间力、楼层加速度等项的对比。

五、隔震结构耐震性能分析下面对隔震结构的隔震性能及隔震结构动力分析的几个专题进行讨论，并对隔震结构的设计提出建议。

由于汕头实际隔震房屋的构件截面和配筋率有些偏小，以下作为隔震房屋算例的结构是在汕头隔震房屋的基础上进行了如下修改的结构：#）各构件配筋率按抗震房屋的配筋率取值；!）除特殊说明外，橡胶垫的阻尼比值取$"!&。

除此之外，本节算例的平立面布置以及构件截面均与汕头实际隔震房屋相同。

#"考虑隔震结构上下部分阻尼比不同的必要性用0123!"$进行隔震结构动力计算时可以自由选择是否在计算中考虑隔震结构上下部分阻尼比不同的特点。

笔者对算例进行了#$%的地震反应分析，地震波仍然采用经放大的456789:;波，考虑阻尼比不同与不考虑阻尼比不同两种方法的层间位移峰值计算结果见表*。

考虑阻尼比不同时橡胶垫的阻尼比取$"!&，上部结构阻尼比取$"$&；不考虑阻尼比不同时结构阻尼比统一取$"$&。

隔震结构是否考虑阻尼比不同的层间位移峰值对比（’’）表"楼层!方向"方向考虑不考虑考虑不考虑(.)!*!)(--)#.-)!+-*)$#+)-,#!)#!#$)(**()-!*)+##*)*$#+)*-&()$-*)#(#.)(-#!)-.+()-$-)*+#.)*##.),*.,)((,)$*#.)&!#+)+&!#$)#.,)&&##)+##!)$-###)+-#$),$()&!()*-$.+)+&-()*..()!.&*)&$从表*可以看出，考虑阻尼比不同以后，隔震层层间位移峰值明显减小，上部楼层的层间位移峰值也都有明显的变化。