隔震结构基本原理及动力分析论文

隔震结构的基本原理及动力分析摘要：本文根据现行的《建筑抗震设计规范》，介绍了隔震结构的基本原理、实用范围和设计与分析方法，并通过一隔震结构的设计实例说明隔着结构的优越性。

关键词：基础隔震；地震响应；时程分析法；

中图分类号：u452.2+8 文献标识码：a 文章编号：

引言

目前，我国和世界各国普遍采用的传统抗震方法是将建筑物设计为“延性结构”，通过适当控制调整结构物的自身刚度和强度，使结构构件(如梁、柱、墙、节点等)在强烈地震时进入非弹性状态后具有较大的延性，从而通过塑性变形消耗地震能量，减轻建筑物的地震反应，使整个结构“裂而不倒”，这就是“延性结构体系”[1~3]。它的设防目标是“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”。实践证明，这种方法对减轻地震灾害起到了积极作用，但是这种传统的结构抗震方法有其明显的不足，随着我国经济的高速发展，对建筑功能要求越来越高，结构的形式越来越多样化、复杂化，很多重要的建筑（电力、通讯中心、核电站、纪念性的建筑、海洋平台等）结构及内部设备的破化将造成巨大的经济损失。对这类建筑的抗震性能提出更高的要求——结构不允许进入塑性工作阶段，因此采用传统抗震方法很难满足此类建筑抗震要求。面对新的社会要求，各国地震工程专家一直寻求新的结构抗震设计途径，以隔震为代表的“结构振动控制技术”便是这种努力的结果[4~6]。

1、隔震结构的基本原理

结构隔震体系是指在建筑物上部结构的底部与基础面之间设置某种隔震装置，使之与固结于地基中的基础地面分离开来的一种结构体系[6]。隔震结构的基本原理可以用图1进一步阐明。图中三条曲线表示不同的阻尼大小，为普通中低层建筑的自振周期，为隔震层建筑的自振周期。

（a）加速度反应谱（b）位移反应谱

图1隔震原理

从图中可以看出，结构自振周期延长，结构的地震加速度反应减小，地震位移反应增大；结构阻尼增大，结构的地震加速度反应和位移反应均减小。隔震系统的水平刚度远远低于上部结构的抗侧刚度，因此，结构的自振周期大大延长，避开地震动的卓越周期，使结构的地震加速度反应大大减小，变形主要集中消耗在隔震层，输入到结构的地震能量主要被隔震层消耗，而上部结构相对变形非常小。同时，加大隔震层的阻尼，消耗地震输入能量，能够很好的抑制隔震层位移和减小上部结构的加速度。

从减震效果考虑，适合采用隔震体系的建筑最好满足以下条件：（1）体型基本规则的低层和多层，高度不超过40m，以剪切变形为主的建筑结构。根据日、美等国的经验，不隔震时基本周期小于1.0秒的结构，减震效果最佳。

（2）坚硬的场地适合于隔震建筑。我国ⅰ、ⅱ、ⅲ类场地的反

应谱特征周期均较小，这样可避开隔震后的结构周期，避免场地土与建筑物之间发生共振，故可建造隔震建筑。

（3）要求风荷载和其它非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，有利于隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。

2、设计与分析方法

我国现行隔震设计规范规定，对结构的地震响应分析主要采用时程分析法。为了和传统的抗震设计衔接起来，使隔震结构的设计能够被广大的工程结构设计人员方便地掌握和使用，引入了分部设计法和水平向减震系数两个重要的概念。

（1）分部设计法是将整个隔震结构体系分成：上部结构(隔震层以上结构)、隔震层、下部结构（隔震层以下结构）和基础四部分，分别进行设计。

（2）水平向减震系数概念，是在设防烈度多遇地震下，结构隔震与非隔震时，各层层间剪力比的最大值。而在实际隔震结构设计中，为了提高隔震结构的抗震设防目标，水平向减震系数取层间剪力比最大值的1/0.7倍。水平向减震系数代表了隔震设计的减震效果。

3、计算算例

采用意实际工程算例说明隔震结构的优越性，选用四个实际的地震波，分别是el-centro波、taft波，加速度峰值小震下调幅至0.7m/s2，相当于8度区（0.2g）设防烈度。其动力参数见下表1

所示：

表1非比例阻尼隔震结构的参数

表2输入el-centro波，上部结构的最大层间位移和剪力

表3输入taft波，上部结构的最大层间位移和剪力

由表2和表3中的数据可以看出，隔震建筑与非隔震建筑相比较，结构的层间位移和剪力均大幅减小，使得结构具有更大的安全度。

4 结论

通过上述理论和算例分析可知，与传统的抗震结构相比，隔震结构具有如下优点：

从抗震概念上讲，传统的抗震体系采用“硬抗”的旧概念，即加强结构自身的刚度和强度来“抵抗”地震作用；而隔震体系应用了“以柔克刚”的新概念，即调整整个结构的动力特性（主要是刚度和阻尼）来减少、消耗地震输入的能量。因此，隔震结构明显有效的减轻了结构的地震反应，提高了整个结构的安全度。

结构的地震反应明显减小，使得上部结构的建筑设计更加自由、灵活，增大建筑设计自由度，例如：在高烈度区，可采用大开间单元建筑、不规则建筑结构物。

地震中，隔震建筑的主要变形集中在隔震层，整个上部结构“基

本”平动，层间水平位移很小。因此防止了建筑物内部设备、家具等物品的振动、倾倒和非结构构建的损坏，大大减轻了地震中次生灾害的发生。

参考文献

[1] gb50011—2001,建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社,2001

[2] 李杰,李国强编著. 地震工程学导论[m].北京: 地震工程出版社, 1992

[3] 周锡元,俞瑞芳.建筑结构抗震设计方法的新进展[j]．建筑结构, 2006, 36(1): 25 —33

[4] 唐家祥,刘再华.建筑结构基础隔震.武汉:华中理工大学出版社,1993.

[5] 日本免震构造协会编，叶列平译. 图解隔震结构入门. 北京：科学出版社, 1998.

[6] 周福霖. 工程结构减震控制[m]. 北京: 地震出版社, 1997.