有关基础隔震结构设计相关问题的讨论

有关基础隔震结构设计相关问题的讨论摘要本文总结了作者在隔震结构方面的一些研究工作。包括：伴生自由振动在隔震结构振动反应中的地位、隔震结构简化计算方法的修订、隔震结构竖向荷载下的内力分布特征、隔震结构的高宽比限值等。这些研究成果可为《建筑抗震设计规范》相关条款的修订提供参考。关键词：隔震结构；伴生自由振动；地震作用；竖向荷载；高宽比DiscussiononsometopicsaboutbaseisolationstructuredesignAbstract：Someresearchworkdonebytheauthoraboutbaseisolationstructurearesummarizedinthepaper.Theyare,transientvibrationintheseismicresponses,somesuggestionsaboutsimplifieddesignmethod,theinterforcesdistributionunderverticalload,andheight-widthratioofthebuilding.Thesecansupplyreferencefortherevisionof“Codeforseismicdesignofbuilding”引言《建筑抗震设计规范》[1]（GB50011-2001）[1](以下简称《规范》)将基础隔震结构设计纳入其中，使隔震技术的应用变得有法可依。随着隔震结构应用的不断拓展，在《规范》应用的过程中，遇到了一些需要进一步明确和深化的问题。一些设计建议还需要进一步修正。本文就下面几个方面的问题开展了相关的研究工作。1伴生自由振动一般认为，由于阻尼的作用，伴生自由振动很快衰减，通常只考虑稳态振动部分。但是对于隔震结构，地震波的卓越频率远大于结构的自振频率，这种情况下，伴生自由振动在总动力反应中的作用有所不同。研究表明[2]，此时的伴生自由振动不但不能略去不计，有时还是总动力反应中的主要成分。以单自由度有阻尼体系简谐地面运动作用为例，伴生自由振动与稳态振动位移、绝对加速度振幅的比值分别为（1）式中，、分别为隔震结构的阻尼比和自振频率；为荷载频率与结构自振频率的比值。与普通的抗震结构相比，隔震结构的自振频率比较小，频率比比较大。因此，伴生自由振动与稳态振动振幅比值要比普通抗震结构大得多。图1、图2分别给出了不同阻尼比情况下，这两个比值随时间的变化规律。从图中可以明显看出，即使有阻尼的作用，当频率比较大时，伴生自由的位移和加速度也不会衰减到可以忽略的地步。而且，当频率比大到一定程度时，伴生自由振动在一定时间内起主要作用。对于地震波输入的情况，由于地震过程中不断图图1瞬态振动与强迫振动的相对位移振幅比与时间的关系每个图中的4条曲线从上到下分别对应于ξ=0.05、0.10、0.15、0.2005101502468ω=2π/2β=20/3RYt/st/s0510150246810ω=2π/3β=10R/s10RAabsω=2π/2β=20/310150502468t/sRAabsω=2π/3β=10图2瞬态振动与强迫振动绝对加速度振幅的比值图中4条曲线从上到下分别对应于ξ=0.05、0.10、0.15、0.20有新的频率成分加入，也就不断有新的伴生自由振动出现，且出现时初始速度和初始位移不为零。同时，地震波会在较短的时间内达到最大值。综合地震波的这些特点，可以断定，实际地震中，隔震结构的伴生自由是不能忽略的，有时甚至是反应的主要成分。2隔震房屋简化计算方法新《规范》的重要特色是：提出了“水平向减震系数”的概念，把隔震设计和传统抗震设计结合起来，利用已有的抗震设计资源进行隔震结构的设计，方便设计人员掌握。结合研究工作和隔震房屋设计经验，作者对新《规范》中隔震房屋简化计算方法提出了改进建议[3]。改进的内容包括：滑①驴关于隔震扔结构的地哗震作用分嘉布色底部剪力述法是计算袍非隔震结痕构地震作肃用的一种弹简化方法漏。该方法坝适用于位欧移反应以悉第一振型孔为主、第勉一振型接喉近直线的懂结构。新校《规范》秆以这个适挖用条件为混出发点给呆出了底部棍剪力法的罢计算公式县。在计算殃公式中，住地震作用填与每个质您点的重力访荷载代表爪值以及计肥算高度成厘正比。由付于每个质锁点的重力仇代表值不材一定相等拢，地震作腔用也就不琴可能沿计拔算高度线讨性分布。粪因此，通缎常所说的蔬地震作用员为三角形恩分布只是缸一种近似奔，而真正哥成三角形僵分布应该驰是质点相飞对于地面古的位移。威在隔震结警构中，由嫂于隔震层国的水平刚香度很小，仰结构的水练平变形绝勾大部分集逆中在隔震索层。隔震确层上部结似构近似为顿平动。因拨此，可以诵假定隔震塌结构的位昏移反应以膏第一振型悲为主、隔股震层上部亭结构的第巡一振型接励近竖直的留直线。这稿时，上部竟结构的地胸震作用就菠应该与质福点的计算困高度无关葵，而只与湖重力荷载娃代表值成丑正比。但诚新《规范具》中却规数定，隔震健结构各质吩点的地震笑作用按矩肉形分布。贿②供关于隔震池结构的水销平向减震扩系数槐按照新《以规范》的肌规定，水暗平向减震输系数应根画据结构隔速震与非隔港震两种情飞况下各层竭层间剪力妇的最大比屈值确定。着根据结构富隔震与非例隔震时层心间剪力的膨分布特点咽，剪力的扔最大比值芝应为结构致一层的剪式力比值。君但新《规珍范》附汉录危L矛中推导水凯平向减震婆系数时，浊用的却是艰隔震结构转总水平地否震作用和享非隔震结龄构总水平呢地震作用校的比值，未这实际上奋是隔震层上剪力与非达隔震结构芽一层剪力牲的比值，碗显然与水博平向减震价系数的定胳义不符。删③营关于隔震就结构的等饥效重力荷免载苹新《规范扔》蛮5.2.迁1铲规定，单杜质点时，美结构的等婚效重力荷阴载取总重理力荷载代沙表值，多笋质点时取湖总重力荷丙载竞代表值确的小0.8单5莲。其中，羽系拳数购0.8碎5知反映了多弃质点体系肯底部剪力贩值与对应值单质点体眼系（质量厨等于多质步点体系总太质量，周抱期等于多利质点体系励第一周期近）剪力值劳的差异。张根据这个散规定，对欺于可以简慕化为单质蚀点体系的竿隔震结构因来说，结筛构的等效润重力荷载车应取总重辫力荷载代炼表值。而叨新《规范楼》简化算漆法中却取川了系脏数使0.8捕5直，这与新心《规范》查中地震作拜用按矩形千分布是不垮一致的。雷文臣献序[3挖]侄对上面三球个问题不息够协调一嘉致的地方金进行详细占的探讨。救并提出了燃相关的建妨议公式，矛即侦①孙水平向减铲震系数为栗其中，绘、粒分别为与跃隔震和非居隔震结构后基本周期臭对应的地挠震影响系社数。共②症隔震结构有的总水平他地震作用趣为粮其中，炸为隔震结少构各层重跑力荷载代恨表值。馆③泪隔震结构膜各质点的眼水平地震紧作用为扔3净慨隔震结构吴竖向荷载先下的内力挥分布译在《规范湾》）中，雷隔震结构尚在水平地先震作用下希的内力计灵算是通过外引序进订“姿水平向减华震系滚数耍”邻，按非隔做震结构计腥算模型进止行内力计知算。但是调，《规范紧》中没有牌对隔震结丧构在竖向乐荷载作用哗的内力计嫌算模型和邮计算方法仆做出明确矩规定。文傍献奏[4钥]灰采用同样步的思路，监对隔震结营构在竖向向荷载作用垫下的内力肢分布特点墓进行研究枕，结果表冈明，与非稀隔震结构腰相比敲①瓣隔震结构奶二层及其踪以上构件境杆端弯矩薄可以认为城与非隔震捕结构相等易。疮②待隔震结构芬一层柱顶朽的弯矩值宿增加幅度辨与梁柱的清线刚度比备基本无关津，但随隔彼震层上荷糊载的增加餐而增加。杰当隔震层在上的荷载承与一层荷按载相等时姨，一层柱虏顶的弯矩适值稳定在谊非隔震结玻构颤的陡1.薪5榴倍。恩③点隔震结构茫一层柱根很的弯矩增抗加幅度很尚大，增加瓜的幅度与锁隔震层上其部梁板结橡构的荷载级成正比，皮并随着梁馅柱刚度比吼的增加而照降低。当视隔震层上象的荷载与乖一层荷载容相等时，谷一层柱根探的弯矩最挽大为非隔完震时素的赶4.孙8昨倍，最小乏也要增加渠到非隔震硬时刘的己3.秆2泰倍。因此凭，设计时原，对于两哄种荷载组较合（恒叉荷似+泥活荷、地建震作跑用喂+斯重力荷载脆代表值）宵究竟哪一汪种对一层待柱子的截垦面设计起围控制作用额需进一步览研究。不乒能笼统地绩认为只要膨采用隔震劝，结构的算内力就一务定会减少步。狮④远隔震结构丑一层梁端面的弯矩略剩有增加，栋但最大不黑超过非隔相震时雅的胡1.厨2尽倍。视⑤秘隔震层顶肠部梁端弯挨矩与这两进个构件的品荷载比值适成正比。醒当隔震层舒顶部梁板加结构与一打层梁板结赠构的尺寸托相同时，霉二者的杆漂端弯矩是柱相等的。花因此，《稍规范》中利提到的隔湿震层顶部巩梁板结构第承载力的为提高应理碎解为隔震涛层顶部梁追板结构的尖强度储备痕或安全度护要提高。印用蹦M卸B掘表示隔震追结构构件碑的杆端弯魔矩值；耗M旁表示对应洪的非隔震呢结构构件蚂的杆端弯寇矩值。文净献病[4赶]缘提出了下横面的建议厉公式，并让给出系数政的建议值爆和对建议订值的评余价政筋好顽掩译垮致右评窄呈（串4基）友表榜1狱勿助结果汇总填部毒泊致位掉建议值或睁公式泛对建议值鲁或公式的凳评价通二层柱顶洋1.0搬数值接近杠二层柱根省1.0片偏于保守漆一层柱顶左规律接近揭数值接近司、且保守先一层柱根妖规律接近映数值接近弯、且保守女一层梁端表1.2款偏于保守社隔震层怕顶部梁端边K旧1炒偏于保守凯注：颠K摊1馆为隔震层众顶部梁的匠均布荷载躬与其它各动层梁的均知布荷载的顺比值；情K艇3养为恒梁柱线刚吴度的比值姓。鞋这项工作再为统一隔秋震结构在世竖向荷载犁作用下的姑内力计算浅方法与水龟平地震作寸用下的内酬力计算方些法奠定了棕基础。渗4狂义隔震结构艳的高宽比交由于隔震色支座的抗虚拉性能差棍及支座压摩屈应力的先限制，隔渔震结构的境抗倾覆稳访定性出现万了新的特雾征。而与左此密切相希关的重要做影响因素封之一就是然隔震结构换的高宽比偶。因为研汁究成果不有充分，高庭宽比限值修暂时没有梦被写到规析范中。文定献深[4舱]束对此进行章了研究。倒研究中采析用了三个检基本假定笔：逮①肺假定隔震叠支座布置移对称移；中②种假定隔震瓦支座的水暮平刚度和死竖向刚度雁与隔震支貌座面积成斧正比菜；势③孔假定隔震猎层以上结铜构水平地民震作用沿祸高度矩形俱分布。保金证隔震结泰构抗倾覆史稳定性的房条件有俭：干①益隔震层边董缘的橡胶童支座不出茂现拉应力暑；景②故隔震层另嘱一侧边缘化的橡胶支顺座的最大架压应力不没超过容许尊值鹊。寄③滤隔震层罕玉遇地震下葛的水平位宿移不超过蔑容许值。狸研究表明辜，当削隔震结构拜高宽比限腊值从由边孟缘支座不若产生拉应馋力控制过窃渡到由压卸应力不超谁过容许值临控制时，躲隔震结构邪的高宽比青限值将取鱼得极大值滤。文底献疲[4令]套中还给出熟了针对不缩同的建筑爽类别、场腊地类别、警设防烈度丛、阻尼比揉等因素下队的隔震结大构的高宽舱比限值。担5庭恋小结调本文将作拴者的几方杏面的研究咸成果进行灰了汇总。独内容包括啦了隔震结等构的基础瓶理论、隔浙震结构的绿简化设计强方法、竖将向荷载作姥用下的内嘉力分布和冻高宽比限它值等方面拆。刃要想将这透些成果在港设计中采咱用，还需慧要进一步爪的细化和机系统性的酱整理。捡参蝴林考伪芬文茎伞献既[1]毒GB5行0011烛-200摆1认，建筑结烫构抗震设季计规欧范插[S盾]拐．繁[2]序诚祁皑，范灭宏伟，陈么永祥．极简谐地面杯运动作用拣下瞬态振搜动的研究伍[J暂]序．窄振动测试筑与诊断信，稍200谁3屠，锈2筐3艇（霜3权）距：畜199-劲200龄2诞．症[