作者：王志刚
来源：《科技资讯》 2011年第26期
摘 要： 将结构物简化为多质点体系, 考虑隔震支座的水平刚度、垂直刚度和转动刚度, 按反应谱方法进行了高层剪力墙结构和砖结构抗震计算, 结果表明, 隔震结构可以大幅度地降低地震作用。另外，利用结构自身的顶部作为TMD质量块，并用叠层橡胶支座和摩擦阻尼器设置在建筑物中上部的楼层之间，利用隔震层上部的质量和隔震层部件组成TMD减震系统来控制地震反应。 关键词： 建筑结构 抗震设计 基础隔震 顶部层间隔震
中图分类号：TU2
文献标识码：A
文章编号：1672-3791(2011)09(b)-0000-00
0 引言
采用隔震支座, 缓冲地震作用对结构的影响, 以达到减轻地震灾害的想法, 早在本世纪初就已提出，但真正将这种想法付诸实现还是最近10~20年的事。新西兰、美国、日本等先后研究并建造了一批试验性的隔震基础房屋, 这些试点工程为隔震技术的实用打下了良好的基础。为了探讨基础隔震结构的抗震分析方法, 了解隔震效果,研究人员进行了隔震基础的钢筋混凝土剪力墙结构和隔震砖结构的抗震分析。计算表明, 隔震结构可减少地震作用25~50%，层数较少的房屋的地震剪力减少更为显著。隔震结构的减震效果如此之大, 实为一种良好的减轻地震灾害的措施。另外，建筑结构的层间隔震效果也很显著，而目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震设计方法是，适当控制结构物的刚度，容许结构部件(如梁、柱、墙、节点等)在地震时进入非弹性状态，并且具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。这种传统抗震设计方法存在安全，适用，经济等方面的问题。本文论述了一种将隔震层设置在结构顶部的隔震结构，是将TMD系统中的弹簧—阻尼器用锁位式摩擦消能隔震支座和叠层橡胶隔震支座代替夕用顶层楼板或隔热层或上部几层作为质量块，通过隔震支座减少地震力向上传递和TMD系统与结构的共振反应达到减小结构地震反应的一种结构形式。由于这类结构的隔震装置都是最初用来隔震的橡胶支座，只是隔震层的位置不同，故也可以称为顶部层间隔震结构。
1 基础隔震的抗震分析
1 隔震支座的水平动刚度和垂直动刚度分别为
管道内衬
遮蔽肩垫
不粘胶 式中, —动刚度和静刚度之比, 一般取1.2；G，E —分别为橡胶静剪切和压缩模量；F—支座面积；n一橡胶片数；H一橡胶片厚度。结构基底安装m个橡胶支座, 其剪切刚度和转动刚度分别为
基础桩
式中, I为隔震支座至结构基底中线距离。
一般建筑结构可按多质点体系进行分析。结构的运动方程为
式中
降阻模块
计算时应考虑隔震支座的水平剪切刚度和转动刚度。按振型分解反应谱方法计算地震作用时, 先求解结构的自由振动, 待解得结构固有周期和振型后, 再计算地震作用下结构的内力。
2 层间隔震抗震分析
2.1高层建筑顶部层间隔震减震结构的设计思想为：通过把隔震层设置在高层建筑结构的上部，把建筑分成上下两个部分，利用上下结构的动力相互作用和隔震层的阻尼作用进行减震。与基础隔震结构相比，这种隔震方案具有以下优点:
（1）与基础隔震相比，层间隔震结构不需要特意为隔震层在地震时发生的较大位移预留空间，也不必设置与预留空间相对应的构造措施;与一般楼层相比，隔震层的水平刚度很小，地震时将发生较大
的变形。对于基础隔震结构，隔震层通常位于室外地面以下，为了保证地震时隔震层能发挥作用，《规范》规定，上部结构的周边应设置防震缝，缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍，上部结构与地面之间，宜设置明确的水平隔离缝;当设置隔离缝有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层。在走廊、楼梯、电梯等部位，应无任何障碍物。而对于顶部隔震，由于隔震层设置中上部柱顶，结构的大变形发生在没有障碍的空中，也就不存在预留空间及相应的构造问题。
(2) 降低结构的土建造价
对于基础隔震结构，在隔震层顶部需要增设一层厚度大于140mm的梁板式楼盖，且楼盖的梁板刚度和承载力均应大于一般楼面梁板的刚度和承载力。这样，结构的自重会因此而有明显的增加。而顶部隔震则不需要增设这样的楼盖。在隔震层设置在较低位置时，隔震支座的选取主要是由使隔震支座在竖向荷载作用下的压应力不超过容许值来控制的，因此减少一层楼板就会减小隔震支座的数量或尺寸。所以，层间隔震结构不但能减小一层楼板的费用，还可减小隔震支座的费用，具有较为显著的经济效益。对于在结构屋顶上面设置调频质量阻尼器 (TMD)进行地震反应控制的方案，一般需要额外的附加质量，并为附加质量提供足够大的运动空间，这是TMD的不足之处。若将屋盖或上部结构当做附加质量，在屋盖下面或几层楼层下面采用隔震支座作为弹簧阻尼系统，则在保证控制效果的同时，弥补TMD的不足，还可以降低造价。
(3) 顶部隔震可以提高结构的抗倾覆能力
对于高层建筑而言，一般高宽比比较大，即倾覆力矩大，基底容易产生拉应力，而隔震支座的抗拉性能又较差，《规范》规定，隔震支座不允许出现拉应力，这样一来，提高高层建筑隔震体系的隔震层位置，可以使结构的抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值增大，保证隔震结构在地震时不发生倾覆破坏。
(4) 施工方便
采用隔震技术的房屋，通过隔震层处的水暖管道均需设置成软管。隔震层设置在层间时，软管部分就可以设置在地面以上，便于软管部分的施工、维修和更换。对旧有房屋进行抗震加固时，若采用基础隔震形式，需要在基础顶部将原有结构断开，进行施工，比较复杂。而在原有结构的顶部设置隔震层，施工过程会方便很多。在以下几种工程中，可以采用顶部隔震结构形式，进行地震反应的控制。
2.2 建筑顶部隔震结构的减震分析
衡量顶部隔震结构减震效果的方法是通过比较结构在地震反应下采用顶部隔震形式时与普通结构形式下地震反应的大小。本章中采用通用有限元软件ANSYS从一个规则结构入手，建立三维有限元模型，将高层建筑顶部隔震体系与普通结构的计算结果进行比较，研究顶部隔震体系的减震效果。其中，普通体系是指一般的框架一抗震墙
结构体系。模型中框架柱和框架梁均采用Beam4单元，剪力墙及楼板均采用Shell63单元，橡胶隔震支座单元采用多种弹簧阻尼单元组合模拟。
3 结论
双腔减压 本文将橡胶隔震支座作为结构基底的剪切弹簧和扭转弹簧, 采用矩阵位移法进行结构动力分析，这种方法简便, 适合工程设计使用。采用橡胶隔震支座, 减少地震对结构的冲击, 是一种极为有效的防震措施, 应进一步研究该法在实际工程应用中的间题, 以便逐步试点, 推广应用。对层间隔震而言，从高层建筑框架—剪力墙主体结构实例入手，将高层建筑顶部隔震结构与不隔震结构的计算结果进行比较。经分析发现:顶部隔震减震结构体系，利用了上部对下部结构的反馈作用，有效减小了主体结构的地震响应;即高层建筑顶部隔震形式的结构，如果选择合理的结构的重力荷载比、隔震层水平刚度和阻尼比，在单向地震作用下可以有效地减小结构的位移、楼层总位移、层间剪力以及加速度等地震反应。顶部隔震减震结构体系具有高效、经济等优点，而且有许多实际工程需求，但系统的研究理论和设计方法还没有形成，本文在研究中发现，尤其在罕遇地震下，隔震层的位移突变问题仍比较明显。因此，对刚度突变问题引起的层间隔震的安全问题做进一步研究仍是十分必要的。
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