何刚
陕西省城乡规划设计研究院 710000
摘要：隔震技术是在建筑物的基础顶面或建筑物某个位置设置隔震装置隔离或减小地震能量,以减少地震能量往上部结构传输,减小建筑物振动反应,来防止建筑物在地震中损坏。目前随着隔震技术的发展，各国已经越来越多的在建筑物中使用隔震技术。本文基于现状，以某个工程进行分析，来探讨隔震技术的效果。
关键词：隔震结构；动力特性；时程分析；减震系数；竖向承载力；
0引言
基础隔震是在建筑物的基础和上部结构之间设置一个隔震层[1]，以控制地震能量向上部结构传递，使得发生地震时上部结构在基础面上发生柔性滑动，从而延长结构的自振周期，使其避开场地土的卓越周期，进而有效降低结构的地震响应。由于多层或高层建筑结构的自振周期相对较小，采用隔震装置延长结构的自振周期是十分有效的。
隔震装置具备足够的初始刚度，在风荷载和轻微地震作用下，体系具有足够的弹性刚度，可以满足正常使用要求；在强地震作用下，隔震垫水平向的剪切位移保证主体结构不发生倾覆且能完好地恢复至平衡位置；同时在强地震作用发生时，隔震装置柔性滑动水平向发生反复的剪切变形或摩擦等亦可消耗地震能量。
1工程概况
澄江化石地博物馆是云南省重点工程之一，建筑共6层(含隔震层)，顶点标高31.80m，总建筑面积16812.28m2。主体结构为钢管混凝土框架结构体系，底层采用基础隔震，局部位置设置屈曲约束支撑又称防屈曲支撑（BRB即Buckling restrained brace)，该结构共采用了89个橡胶隔震支座、54个BRB。
结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度(0.20g)，设计地震分组为第三组，场地类别为Ι类，场地特征周期为0.35s，建筑结构抗震设防类别为重点设防类，结构重要性系数为1.1，钢管混凝土框架抗震等级为一级。
2结构方案对比
在方案阶段根据结构的重要性、设防烈度以及场地条件等因素，与传统抗震设计的方案进行对比分析。采用传统抗震设计方案时，由于结构荷载较大，导致梁柱的截面很大，如钢管混凝土柱钢管最大截面将达到1000×22，梁截面最大为H700×400×16×35，与建筑的使用功能不相适应，结构的截面越大，在地震时所吸收的地震能量也越大，这样，带来工程造价大幅度提高，结构扭转位移比为1.29(Y向)，大于1.2，为扭转不规则结构，其抗震性能和可靠度均达不到预期的目标，因此该工程采用消能减震设计非常必要。
根据工程情况，可以单独采用BＲB或橡胶隔震支座与BＲB联合设计方案。单独采用BＲB设计时，通过调整BＲB位置及刚度使结构满足规范要求，BＲB在小震下仅为结构附加抗侧刚度，在中震与大震下作为第一道防线首先耗能，有效减小结构构件损伤，保护主体结构，提高结构整体抗震性能。
当采用橡胶隔震支座与BＲB联合设计方案时，通过多次调整BＲB位置，优化隔震层参数，结构的扭转反应得到有效的控制；上部结构的减震系数预期达到0.3左右，上部结构可按降低一度设计，上部结构的截面尺寸大大地减小，使用空间满足要求，这样在大幅度提高结构抗震性能的同时，还可获得较好的经济性。最终确定以隔震为第一道防线、BＲB为第二道防线的减震与隔震联合设计方案。
3减隔震结构设计
3.1隔震设计
隔震设计采用分部设计方法，将整个隔震结构分为上部结构、隔震层、下部结构及基础等部分，并对各个部分进行设计。隔震层的设计是隔震性能目标实现的关键，因此选择适当的隔震支座参数和位置，隔震支座与上下支墩的连接方式是隔震设计中应当首先考虑的问题。该工程隔震层为钢管混凝土框架结构，故采用“一柱一支座”的布置方法，即每根柱子下面布置一个隔震支座，共布置89个橡胶隔震支座，其中铅芯橡胶隔震支座(LＲB1000)54个，天然橡胶隔震支座(LNＲ1000)35个 。支座在选择时应考虑下列因素:
(1)支座在重力荷载代表值下的压应力应满足规范限值的要求。工程的最大压应力为11.8MPa，小于规范要求的限值12MPa(乙类建筑)。
(2)日本隔震设计规定隔震层在两个主轴方向的偏心率应小于3%，我国抗规只是对隔震层的偏心率做出了定性的规定。随着隔震层质心与刚心的增大，上部结构的扭转效应将增大，对于支座的拉应力及位移的控制不利。
(3)为保证抗风装置的有效性和隔震装置在多次地震作用后仍能保持较好的复位性能，隔震层要有足够的水平承载力和弹性恢复力。考虑到地震动的随机性，为获得较为合理的分析结果，设防地震时程分析时选取5条天然波(BＲA，LAD，NOＲ，SIL，TＲ2C)和2条人工波(ＲEN1，ＲEN2)，地震波的选取要考虑场地、数量、频谱特性、持续时间以及统计意义上相符等要求。
3.2减震设计
本工程的减震设计采用BＲB作为消能减震部件，按照“均匀、分散、对称、周边”的原则布置BＲB，6层BＲB布置平面图，BＲB在小震作用下保持弹性仅附加抗侧刚度，使结构的刚度分布更加均匀，避免产生薄弱层，中震下BＲB控制其塑性发展程度，大震下BＲB进入较大的塑性耗能阶段，达到中震少耗能和大震多耗能的目的，使其成为抗震第二道防线，先于主体结构进入塑性耗能阶段，提高结构在罕遇或超罕遇地震作用下的抗震性能。
4减隔震结构分析
4.1结构动力特性分析
结构的动力特性可以对隔震方案提供重要信息，可以对模型的准确性进行进一步判断。本文采用Ritz向量法计算出了隔震与非隔震结构前30阶动力特性。计算表明，隔震结构前30阶振型总的质量参与系数X、Y方向均超过99%，前3阶阵型属于隔震层平动和扭转，隔震层设计合理；非隔震结构前30阶振型总的质量参与系数超过99%，计算模型选取的模型阶数足够。隔震后2个主方向的基本周期分别为2.497 s和2.471 s，相差较小，表明隔震层刚度分布均匀，隔震支座布置较为合理。同时隔震结构基本平动周期较非隔震结构有较大延长，可达到较好的隔震效果。
4.2隔震层验算
根据抗规要求，隔震结构应进行罕遇地震作用下隔震层的验算，在罕遇地震作用下隔震装置的水平位移不超过支座有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度(Tr)的3倍二者中的较小值，在水平和竖向地震组合工况下的拉应力最大值不应大于1MPa，罕遇地震作用下支座短期压应力不应超过25MPa。罕遇地震作用下结构的隔震支座最大位移为307mm，小于规范要求的550mm;支座的拉应力最大值为0.7MPa，小于规范要求的1MPa，说明结构质心与刚心相距较小，没有倾覆的趋势;支座在罕遇地震作用下的压应力最大值14.76MPa，远小于规范要求的25MPa，说明该工程的隔震支座布置合理，安全性较好。
4.3大震弹塑性分析及性能评估
根据抗规第5.5.2条规定，采用隔震设计的结构应进行罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性验算。采用SAP2000对结构进行大震弹塑性时程分析，通过定义梁柱的塑性铰以模拟结构的非线性，远小于规范限值1/50，说明结构在罕遇地震作用下具有良好的抗震性能，能够满足预期性能目标要求，且结构的安全储备较高。罕遇地震作用下小部分构件开始进入塑性，少量框架梁出现塑性铰，柱未出铰，结构能够较好地满足“强柱弱梁”抗震性能目标。
5结论
(1)本工程采用分部设计法，减震系数取设防地震作用下隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值0.296，上部结构可按降低一度进行设计，由于结构的复杂性，考虑了地震的最不利输入方向的影响。
(2)本工程隔震层设计合理，各项指标满足规范要求。隔震层偏心率小于3%，罕遇地震作用下隔震支座短期极大面压小于25MPa，极大拉应力小于1MPa，最大位移小于0.55m，隔震支座安全储备较高。
(3)BＲB作为消能减震部件，根据等代斜杆的出力、截面尺寸及轴线长度对BＲB进行设计，使BＲB在小震下保持弹性，为结构提供抗侧刚度，中震下控制其塑性发展程度，大震下其进入较大的塑性耗能阶段，达到中震少耗能和大震多耗能的目标。
参考文献：
［1］马健，潘文，杨晓东，等．澄江化石博物馆振动台试验及能量分析［J］．建筑结构，2017，47(8):47-53．
［2］建筑抗震设计规范:GB50011—2010［S］．北京:中国建工业出版社，2010．
［3］芮明倬，李立树，贺军利，等．屈曲约束支撑在古北财富中心高层钢结构中的应用研究［J］．建筑结构，2007，37(5):25-28．