广州大学 土木工程学院 广东广州 510006
摘要：地震是现在破坏力最大的自然灾害之一，这不仅对人类是个巨大挑战，对工程技术也是，相对于抗震技术，隔震的经济性和稳定性具有天然的优势，因此本文对基础隔震建筑运用SAP2000进行数值模拟，证明隔震建筑的可行性和适用性。
关键词：隔震结构；基础隔震；剪力
1 隔震技术背景
建筑文明发展至今，对其发展造成最大阻碍的就是自然灾害，不可预料性与强破坏性是其主要特点。当前由于技术的影响，难以对地震进行及时有效预测，因此只能依靠防治，通过提高房屋的抗震强度，来降低地震灾害中的人员与财产损失，但是依旧存在一些问题：例如构件尺寸的扩大会造成不必要资源浪费，且过大重量不利于结构；其次，结构构件不具备自我调节能力，当遭遇高强度地震时，虽然一定程度上能降低建筑物坍塌风险，但是会给建筑造成不可修复的变形。不同于传统的抗震技术，隔震是将为建筑物提供一种自我调节能力，将地震所造成的耗能与损伤控制在隔震装置内，从而在降低建筑物坍塌风险的同时，也使建筑物能够避免产生不可修复的变形，这与传统抗震技术的提升自身延性有着较大的区别。
经过实践证明，高强度地震下所造成的隔震装置位移，能够吸收大量的能量，使建筑物所遭受的压力大大减缓，很大程度上提升了建筑物的稳定性与安全性，并且所造成的变形与损害能够通过建筑物的自我调节进行修复。
2 时程动力分析原理
M 为简化质点的质量，K、C为隔震系统的水平刚度和阻尼，可以得出运动方程：
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。由于阻尼比在20%以下，阻尼对多自由度体系固有频率和周期的影响可以忽略，方程的解是广义特征值问题：
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式中
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为振型向量；
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为自振频率。
在有限元软件中采用Block Lanczos法进行特征值提取。该方法和子空间迭代法求解速度快，适用于此处计算，精确度也比较高。
3 建立模型
以某展厅为工程实例建立有限元模型，展厅建筑平面为矩形平面，标准展厅下部支撑结构采用钢管柱+钢框架梁的钢框架结构，屋盖楼面所采用的是钢板压型的楼盖。展厅屋盖跨度为69m，屋面的形式采用了平屋面，且平屋面上的柱子起到了支承造型装饰屋面的作用。
展厅设计为大跨空间钢结构，标准展厅的建筑平面尺寸为56m×69.5m，建筑屋面标高19～24m，展厅净高为16m。标准展厅的连续屋盖把两个展厅连上通道合为一个整体，屋盖对地的平面投影为矩形，尺寸为57.5m×70.5m，X方向为长度方向，Y方向为宽度方向，Z方向为垂直方向。
材料性能按GB50017-2003《钢规》输入：结构的杆件钢材均取Q235B，结构柱钢材取Q390，杆件控制应力283.5N/mm2。拉杆允许长细比250，压杆允许长细比180。
恒载：取自重，屋盖面板上0.8kN/m2，过道的恒载根据实际情况输入；
活载：屋面取不上人情况0.5kN/m2；过道活载2.5kN/m2；吊顶等活荷载为0.5kN/m2；基本风压：0.30k N/m2，风荷载按 0°、45°、90°、135°、180°、225°、315°输入；
《建筑抗震设计规范》第12.1.3条规定：风荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。另外，风荷载下隔震层水平剪力设计值应小于隔震层总屈服力，即
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其中，
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—风荷载分项系数，取1.4；
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—风荷载作用下隔震层水平剪力标准值；
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—隔震层的总屈服力；
本工程共使用24个橡胶隔震支座，其中铅芯支座8个，天然橡胶隔震支座16个，直径尺寸皆为500mm。在设计风荷载作用下，隔震层验算并未产生过度水平位移，满足规范要求。橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过15Mpa。通过计算，隔震建筑的各个隔震支座在重力荷载作用下的压应力均小于15Mpa，满足规范的规定，且罕遇地震作用下隔震层的各支座水平变形均未超过150%。
4 地震波选取
根据《建筑抗震设计规范》（GN50011-2010）（简称抗规）5.1.2[1]，在采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线。故本次分析选用了3条适用地震波用于Ⅱ类场地的地震波，其中两条为实际强震动观测记录，分别是南北向EI-Centro地震波和东西向迁安波，另一条是根据规范反应谱模拟的人工波。
根据抗震设计规范，6度抗震设防烈度下的设计基本地震加速度为49cm/s2，多遇地震加速度时程峰值为18cm/s2，罕遇地震加速度时程峰值为 125cm/s2。建筑场地的多遇烈度、罕遇烈度、设防烈度应同选取的地震波主振型的加速度峰值相对应.
弹性分析时程时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65％，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80％。地震波经过测试后，皆符合要求，可用于工程计算，下文皆为EI-Centro波结果。
5 动力分析
基础隔震的框架结构楼的自振周期要大于非隔震结构，二者的自振周期比在1.128-2.371倍间，尤其是前三阶振型尤为明显。
对结构进行振型图进行分析发现，隔震结构的第1振型是X方向上的单向平动振型，第2振型是Y方向上的单向平动振型，第3振型为XY平面的扭转振型，第4振型为XY平面的扭转振型，第5振型为桁桁架结构整体Z向上下振动，第6振型是XZ平面上下振动的扭动振型。现主要分析剪力，上层结构的加速度及位移及位移进行研究比较，并提取其峰值进行对比研究。
X方向上的基底剪力峰值分别为3326.8与782.31，Y方向的基底剪力峰值分别为5442.29与521.18，减震率已达到76.49%与90.43%。隔震结构的层间剪力仅为非隔震结构的16.27％~20.167%，减震效果明显；上层结构X方向上减震率为60.02%，Y方向上的减震率为81.54%，减震效果十分明显。而隔震结构楼的水平位移则主要集中在隔震层，上部结构的相对位移较小，X和Y方向分别为0.05mm和0.07mm，在水平地震作用下几乎处于整体平动的运动状态，这是因为基础隔震层的刚度较小，吸收了大部分的地震波能量，大大减小了上部结构的水平地震反应。
根据《建筑抗震设计规范》[1]，在罕遇地震作用下，隔震支座对应于水平剪力的水平位移不应超过橡胶隔震支座的有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚的3倍中的较小值。本文所使用的橡胶支座为LNR500和LRB500，其内部橡胶总厚度为148mm，因此隔震支座最大容许值为275mm，数据可知隔震体系一方面加大了上部结构的位移，另一方面降低了柱结构顶部的位移，即降低了柱结构整体的位移响应。取隔震支座上部位移数据可知X方向上隔震支座的位移峰值为177.4mm，Y方向上隔震支座的位移峰值为156.6mm，即罕遇地震作用下，两个方向上的位移峰值结合静力作用下的初始位移，小于隔震支座位移的最大容许值；
由数值模拟可以看出，在隔震层的作用下，隔震结构大大延长了建筑物整体周期，避免了地震的主周期，使得建筑结构的地震响应大大降低，但是又数据可以看出隔震层的利用率较低，建筑结构的预留安全度过高，虽然设计人员一般以预留较高安全度为基础进行设计，但是这样做法不经济且使得隔震层的利用率大大下降，所以推荐设计人员复检时若出现安全度过高时，应重新设计隔震层，保证隔震设计的经济性。
6 结论
本文通过工程实例，对隔震楼和非隔震楼进行建模，分别选取天然地震波和人工合成地震波完成地震反应分析。对比分析结果可以看出，基础隔震技术能够有效降低结构物的水平地震反应，基础隔震结构在地震多发区域可以广泛应用。
参考文献：
[1] GN50011-2010。建筑抗震设计规范[S]．