叶志琴，班鑫磊，张辙洵，党　育（兰州理工大学土木学院，甘肃　兰州　730050）



高层结构采用组合隔震体系的减震效果分析*

叶志琴，班鑫磊，张辙洵，党育
（兰州理工大学土木学院，甘肃兰州730050）

摘要：组合隔震体系是指隔震系统采用多种隔震支座，达到最优的减震效果。对于高层或小高层结构，在结构中轴力大的位置处设置弹性滑板支座,在其它位置设置橡胶隔震支座，可取得较好的减震效果。对一个实际的12层框架-剪力墙结构，分析对比了一般隔震体系和组合隔震体系的隔震效果，结果表明：采用组合隔震体系比一般隔震体系的减震效果好。

关键词：叠层橡胶支座；弹性滑板支座；组合隔震；时程分析

1　概述

隔震技术作为一种有效的减震技术已被广泛应用于各类中低层建筑中，取得了良好的减震效果。目前90%的隔震支座都采用叠层橡胶支座[1]，但随着建筑物体系越来越复杂，或者地震作用较大时，仅采用普通叠层橡胶支座已不能达到较好的减震效果，应采用多种不同类型的隔震支座共同支撑上部结构的重量，各支座协同工作，以达到较好的减震效果。这样的隔震体系就是组合隔震体系[1，2]。

本文采用的组合隔震是使用比较成熟的叠层橡胶支座和弹性滑板支座组合，利用弹性滑板支座的承压性能高的优点,在结构中柱轴力大的位置处设置弹性滑板支座,在其它位置设置橡胶隔震支座。轴力较大位置处设置弹性滑板支座，原因是轴力变化会引起弹性滑板支座的恢复力变化，轴力较大位置处相对轴力变化小。Chalhoub和Kelly等[2]提出采用橡胶支座作为复位元件的组合摩擦隔震系统,并进行了振动台试验研究。吕西林[3]等进行了组合隔震房屋模型的振动台试验研究并对其结果进行能量分析；李爱群等[4]对组合隔震结构地震反应的一般特性，并探讨了组合隔震体系参数的选择；这些研究主要集中于理论分析及试验验证等方面,而针对组合隔震结构的实用设计方面，还有待完善。本文对一个实际的12层框架-剪力墙结构，分别采用一般隔震体系和组合隔震体系，对比分析了两种隔震体系的减震效果，初步探讨了组合隔震结构的设计原则，本文的研究可为高层组合隔震结构的设计提供参考。

2　组合隔震体系计算模型

并联组合隔震体系是由铅芯橡胶支座和滑动支座并联组合而成，隔震层在滑动前的水平刚度为K1’（K1’=K1铅+K1滑），滑动后的刚度为铅芯橡胶支座的屈服后刚度K2。因此并联组合隔震支座的恢复力模型可简化为双线性模型，如图1所示。

图1　并联组合隔震的恢复力模型

3　组合隔震结构动力分析

3.1工程实例

该工程高度23.1m，11层，上部结构采用框架-剪力墙，乙类建筑，抗震设防烈度9度，II类场地，设计分组第二分组，Tg=0.45s。隔震层设于基础与上部结构之间。隔震体系分别采用一般隔震体系和组合隔震体系，一般隔震体系采用铅芯橡胶支座与天然橡胶支座，隔震层布置如图2所示，组合隔震体系采用铅芯橡胶支座与弹性滑板支座，由于弹性滑板支座的容许应力更高，故通常弹性滑板支座布置在结构中部轴力较大处，隔震层布置如图3所示。隔震支座参数见表1，表2。

图2　一般隔震体系的支座平面布置

图3　组合隔震体系的支座平面布置

表1　叠层橡胶支座的参数

表2　弹性滑板支座的参数

对以上两种隔震体系，分别采用有限元软件ETABS建立模型并进行时程分析。分别输入7条地震波进行时程分析，并在设防地震和罕遇地震时进行加速度调幅。设防地震时200gal，罕遇地震时为400gal。

3.2分析结果

3.2.1水平向减震系数

各层的水平向减震系数是隔震结构的层间剪力/不隔震结构的层间剪力，图4显示了两种隔震体系x,y向各层的水平向减震系数。

图4　组合隔震体系与一般隔震体系的各层水平向减震系数对比

从图4可看出，无论是X向还是Y向，采用组合隔震体系的水平减震系数较一般隔震体系要小。原因是弹性滑板支座的屈服后刚度近似为0，与铅芯橡胶支座组合后，整个体系的屈服后刚度仍小于一般隔震体系，对于高层隔震结构的减震而言，采用适当比例的弹性滑板支座与铅芯橡胶支座组合，可取得比一般隔震体系更好的减震效果。

3.2.2罕遇地震下结构的层间位移

罕遇地震下非隔震结构、组合隔震体系和一般隔震体系的层间位移如图5所示。其中对于隔震结构，0层表示隔震层，对于非隔震结构，0层表示隔震支座的上支墩底端处。

图5　组合隔震体系与一般隔震体系的各层层间位移对比

从图5可看出，罕遇地震下，两种形式的隔震结构的上部结构各层层间位移角比较接近，说明隔震后上部结构仍是整体平动，且层间位移角约为1/ 400，对于框架-剪力墙结构而言，说明采用隔震措施后，上部结构在罕遇地震下也可保持弹性。而非隔震结构的1，2层会有较大层间位移，各层层间位移角约为1/100，说明上部结构在罕遇地震下已发生较大的塑性变形，结构会有较大破坏。组合隔震体系和一般隔震体系的上部结构层间位移很接近。但组合隔震体系的隔震层位移X，Y向分别为180mm和193mm，一般隔震体系隔震层位移X，Y向分别为266mm和297mm。说明采取组合隔震体系，也可有效控制大震时的隔震层位移。

4　结论

本文对一个实际的12层框架-剪力墙结构，分别采用一般隔震体系和组合隔震体系，即全部使用橡胶支座和橡胶支座和部分弹性滑板支座组合的隔震系统，对比分析了两种隔震体系设防地震下上部结构的水平向减震系数，罕遇地震下结构的层间位移。结果发现，采用组合隔震体系的水平减震系数较一般隔震体系要小。说明对该结构采用组合隔震体系，减震效果要比一般隔震体系好。同时，两种隔震结构的上部结构各层层间位移角约为1/400，说明采用隔震措施后，在罕遇地震下该建筑的上部结构仍可保持弹性。同时，采用组合隔震体系的隔震层位移较一般隔震体系小。说明对于高层隔震结构的减震而言，采用适当比例的弹性滑板支座与铅芯橡胶支座组合，可取得比一般隔震体系更好的减震效果。

参考文献：

[1]日本建筑学会著.刘文光译.隔震结构设计[M].北京：地震出版社，2006.

[2] M.S.Chalhoub and J.M.Kelly. Sliders Tension Controlled Reinforced Elastomeric BearingsCombined for Earthquake Isolation [J].EarthquakeEngineering&Structural Dy namic, 1990,19(2):342-351.

[3]吕西林,朱玉华,施卫星.组合基础隔震房屋模型振动台试验研究[J].土木工程学报，2001(2):43-49.

[4]毛利军,李爱群.建筑结构基础隔震体系研究进展[J].华东交通大学学报，2004,21(4):26-29.

*基金项目：甘肃省财政厅项目，兰州理工大学大学生创新项目。

中图分类号：G267