韩学川，王兴国，葛楠，屈华静

(河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

基础隔震技术已经得到了广泛的应用［1-15］，属于被动结构振动控制技术，通过在上部结构和基础之间设置隔震层来延长结构的自振周期，远离地震的卓越周期，减小结构的地震响应。然而，目前基础隔震技术主要应用在中低层建筑，这主要是由于中低层建筑自振周期较短，隔震后周期增加明显，隔震效果良好，并且结构在地震作用下倾覆力矩比较小。近年来，针对高层建筑，国内外学者开发了大量隔振技术，例如，普林司通和竹中工务店［3］共同开发了适用于高层建筑的隔震橡胶支座，美国加州大学的Wen－Chyr Chai［12］提出了巨型框架－子结构隔震结构方法(Mega－Sub Control Method)，华中科技大学熊世树［5，6］提出了一种具有三向适宜刚度和阻尼性能的三维隔震支座——铅芯碟簧橡胶支座。

本文利用ETABS有限元分析软件，建立了一个高层结构设置基础隔震装置的地震动力反应分析计算模型，该结构为12层框架－剪力墙结构，在基础顶面设置非线性恢复力特性的FPS(摩擦摆隔震装置)隔震支座。模型计算结果与未设置隔震装置的框架－剪力墙结构的计算结果进行对比，研究该结构的地震响应特性，为高层建筑隔震结构设计提参考。

1 结构计算模型建立

结构基本设计参数如下:抗震设防烈度为8度(设计基本地震加速度值为0.20g)，二类场地(特征周期0.40s);柱网为6000 mm×6600 mm，首层层高为4500 mm，其余各层为4000 mm;各部位强度等级均为C30，箍筋采用HPB235级钢筋，纵筋采用HRB335级钢筋;钢筋混凝土方柱的截面尺寸为500 mm×500 mm;框架边梁的截面尺寸300 mm×500 mm，内部梁的截面尺寸250 mm×500 mm;各层楼板厚均为200 mm;剪力墙厚度为200 mm，呈L型对称布置;楼面活荷载为2.0 kN/m2、边梁荷载3.0 kN/m。

建立设置隔震装置(摩擦摆隔震支座)框架－剪力墙结构整体模型，现采用有限元分析软件ETABS，对上述结构进行重新建模，采用EL Centro(NS)地震波，对上述结果加以对比。摩擦摆隔震支座特性由图3给出的对话框定义。

结构平面图与三维有限元模型分别如图1及图2所示:

建立设置隔震装置(摩擦摆隔震支座)框架－剪力墙结构整体模型，现采用有限元分析软件ETABS，对上述结构进行重新建模，采用EL Centro(NS)地震波，对上述结果加以对比。摩擦摆隔震支座特性由图3给出的对话框定义。

采用时程分析法对结构进行分析:在Y方向输入EL Centro(NS)地震波，最大加速度400cm/s2，时间步长为 Δt=0.010s，总持时 40s。

2 地震动力反应计算与分析

2.1 楼层位移与层间位移

采用ETABS软件，对12层框架－剪力墙结构的地震动力反应值进行计算，结果列于表1，图4至6分别给出了有无FPS隔震装置下，结构最大楼层位移、最大层间位移和最大层间位移角随楼层变化的规律。

表1 地震动力反应最大值

续表

由图4可以看出，设置隔震装置的框剪结构比非隔震结构的最大楼层位移有显著增加，图5和图6是层间位移和层间角位移曲线，其弯剪型分布规律比较明显，结构的最大层间位移出现在楼层的中上部。对于结构的相对层间位移，设置隔震装置的框剪结构明显比非隔震结构有显著减小。楼层位移是绝对位移，层间位移是相对位移，与结构内力直接相关，减小了结构内力，起到了明显的隔震作用。

2.2 楼层内力

楼层地震力最大值计算结果列于表2，图7和图8给出了结构最大楼层剪力和最大楼层弯矩随楼层的变化曲线。

表2 楼层地震力最大值

由图7与图8可以看出，设置隔震结构以后，结构顶部内力有较大的降低，对消除高层建筑的“鞭梢效应”有明显作用。

2.3 结构构件内力

取图1中轴线①为框架1，轴线②为框架2。

(1)框架1的内力包络值

结构10层柱A、B、C和D的剪力和弯矩计算结果列于表3，图9和图10给出了第10层框架柱剪力和弯矩。

表3 框架1柱内力包络值

(2)框架2内力包络值

结构10层柱A、B、C和D的剪力和弯矩计算结果列于表4，图11和图12给出了第10层柱剪力和弯矩。

表4 框架2柱内力包络值

由图9至图12可以看出，对外框架1列柱与2列柱，内力分布曲线均为V型，由此可知，角柱承担的地震作用较大，中柱承担的地震作用较小。当设置隔震系统之后，结构柱剪力和弯矩均降低了31%以上，其中，剪力降低的最显著，起到了很好的隔震效果。

(3)框架2中剪力墙内力包络值

结构10层剪力墙W1、W4的剪力和弯矩计算结果列于表5。

表5 剪力墙内力包络值

由表5中可以看出，与未加隔震装置相比，有隔震装置后W4和W1剪力墙的剪力和弯矩均降低了33.3%以上，这说明剪力墙的内力大幅减少，隔震装置对框剪结构受力状态有明显的改善作用。

3 结论

(1)框剪结构设置隔震系统之后，结构的楼层位移增加，但是沿高度分布趋于均匀，使结构的层间位移与地震反应内力明显减小;

(2)对于以弯曲变形为主的高层建筑，隔震系统对顶部的减振效果明显，有利于避免结构“鞭梢效应”，而底部的减振效果小于顶部;

(3)配置隔震装置后，结构顶部柱剪力分配趋于均匀，剪力墙的内力大幅减少，对框剪结构受力状态有明显的改善作用。

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