隔震結(jié)構(gòu)抗震分析方法綜述

劉　暢　 李海超/華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

隔震結(jié)構(gòu)抗震分析方法綜述

劉暢 李海超/華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

作為突發(fā)的自然現(xiàn)象，地震給人們?cè)斐闪瞬豢赏旎氐木薮髶p失，文章通過介紹地震的危害，引出新技術(shù)隔震結(jié)構(gòu)。指出了隔震結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成以及其對(duì)比傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性，并總結(jié)了近些年在期刊、專著或者是學(xué)位論文中在隔震結(jié)構(gòu)的抗震分析中使用到的幾種基本方法。文章最后，辯證的指出了目前隔震結(jié)構(gòu)研究還存在的問題，展望了不久的將來。

地震；隔震結(jié)構(gòu)；抗震分析

一、背景

地震是一種無法預(yù)測(cè)、發(fā)生突然性極強(qiáng)的自然現(xiàn)象，地震的發(fā)生伴隨著能量的釋放，這種能量給人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的威脅，是人類面臨的最慘烈的自然災(zāi)害之一。傳統(tǒng)的抗震主要集中在保證結(jié)構(gòu)本身具有足夠的剛度、強(qiáng)度和延性，以此來達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求。從而達(dá)到減輕地震災(zāi)害的目的。然而，這種方法有很多不足之處，從1978年的唐山大地震以及2008年的汶川大地震來看原有的抗震模式在強(qiáng)震作用下表現(xiàn)出很多不足。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，許許多多的建筑材料的運(yùn)用以及各種各樣的建筑物如雨后春筍般平地而起。怎樣最大限度的保證在強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)能夠安全，不致使人民生命和財(cái)產(chǎn)安全遭受重大損害；如何保證在地震發(fā)生時(shí)建筑物內(nèi)的精密技術(shù)設(shè)備能夠正常運(yùn)行而不會(huì)被地震對(duì)建筑物的破壞影響所損壞，這些都是研究人員共同面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又重大的問題。而被我們所說的“工程結(jié)構(gòu)的減震控制技術(shù)”的產(chǎn)生及推廣應(yīng)用（即隔震技術(shù)），從很大程度上滿足了結(jié)構(gòu)的使用性和安全性要求。從而隔振技術(shù)的研究和應(yīng)用也成為一種未來結(jié)構(gòu)抗震的趨勢(shì)和潮流。

二、隔震的介紹和應(yīng)用

隔震結(jié)構(gòu)體系是指在結(jié)構(gòu)物底部或某層間設(shè)置隔震裝置而形成的結(jié)構(gòu)體系，它包括上部結(jié)構(gòu)，隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分。隔震層可以有四個(gè)不同的布置位置，即基礎(chǔ)隔震，首層隔震，層間隔震和頂層隔震。

隔震結(jié)構(gòu)體系是區(qū)別于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系的一種主動(dòng)控制體系，通過設(shè)置隔震層來吸收并消耗地震時(shí)釋放的能量，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)以此來確保結(jié)構(gòu)的安全。隔震結(jié)構(gòu)體系顛覆了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系的耗能原理，也就是通過隔震層的耗能裝置來耗能、而不是結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身來吸收并消耗地震能量。這種優(yōu)越的耗能性能是傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系所不可比擬的。經(jīng)過近些年的研究，隔震技術(shù)在基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用方面取得了豐厚的研究成果。

我國2010年頒布的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出對(duì)多層隔震結(jié)構(gòu)房屋可以采用剪切型多質(zhì)點(diǎn)計(jì)算模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，對(duì)大高寬比的高層和超高層、塔型隔震結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型等都沒有作說明。在一篇名為《夾層橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析》的碩士學(xué)位論文進(jìn)行析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，采用的是基本的多質(zhì)點(diǎn)隔震體系模型，與之相近研究方向的關(guān)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系的分析的碩士學(xué)位論文，均采用的多質(zhì)點(diǎn)模型；一篇《橡膠隔震支座力學(xué)性能及隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究》的博士學(xué)位論則研究探討采用多質(zhì)點(diǎn)系計(jì)算模型計(jì)算大高寬比隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；對(duì)底層柱頂隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度和超設(shè)防烈度作用下的抗震性能分析，應(yīng)用有限元軟件建模，進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析；大底盤多塔隔震結(jié)構(gòu)的抗震分析方法同樣也是軟件建模之后進(jìn)行同時(shí)考慮上部結(jié)構(gòu)彈塑性與隔震支座非線性行為的抗震分析；大跨度連續(xù)鋼桁梁橋的抗震性能采用通用有限元程序建立該橋空間有限元模型，采用非線性時(shí)程分析方法對(duì)未隔震及應(yīng)用摩擦擺支座隔震后的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析；在某些情況下，隔震結(jié)構(gòu)采用分離式計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于使用統(tǒng)一的減震系數(shù)，部分樓層剪力調(diào)整偏大。采用振型分解反應(yīng)譜法，將隔震層和上部結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可有效解決這一問題。

其實(shí)總結(jié)起來看，不難發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用雖然在汶川等大型地震之后備受關(guān)注，但是由于我國在此方面發(fā)展起步較晚，面對(duì)的問題相對(duì)較少，所以并不如日本以及歐美等發(fā)達(dá)國家。對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)的抗震分析的方法雖然看起來比較少，顯得單薄，但是也能比較正確的解決我國目前所面臨的問題，能比較好的對(duì)需要的隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

三、存在的不足

目前，隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍還是很有限。根據(jù)隔震層的位置分為基礎(chǔ)隔震，層間隔震，首層隔震和頂層隔震。根據(jù)查詢的眾多資料文獻(xiàn)可以看出，有的時(shí)候如果隔震層位置在一層柱頂，也是可以歸類為基礎(chǔ)隔震，而很多學(xué)者研究方向也是放在基礎(chǔ)的隔震研究，只有少部分研究是在層間隔震以及頂層的隔震；對(duì)于不同的行業(yè)，有比如關(guān)于大跨度連續(xù)鋼桁梁橋支座隔震研究。當(dāng)然，也有一些比較不一樣的研究重點(diǎn)，比如新型鋼筋層的隔震。隨著現(xiàn)今社會(huì)越來越多的自然地震災(zāi)害，以及次生災(zāi)害，使得越來越多的學(xué)者放眼隔震系統(tǒng)和隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，這必然讓我們?cè)诜勒饻p災(zāi)方面取得長足進(jìn)步。

但是，我們應(yīng)該理性的認(rèn)識(shí)到，基于性能的抗震設(shè)計(jì)的理論方法還處于初始階段，還存在著各種各樣的困難和問題。在總結(jié)國內(nèi)外該領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，在以下幾個(gè)方面的認(rèn)識(shí)上還存在一定的問題：

（一）選擇結(jié)構(gòu)性能設(shè)防目標(biāo)

傳統(tǒng)的建筑抗震設(shè)計(jì)的設(shè)防目標(biāo)大多數(shù)是通過工程技術(shù)人員根據(jù)規(guī)范當(dāng)中規(guī)定的最低設(shè)防要求而確定的，沒有業(yè)主和其他人員的主動(dòng)參與。但是基于性能的抗震設(shè)計(jì)不僅滿足建筑性能社會(huì)最低的要求而且也面向業(yè)主，并且更加的注重建筑個(gè)性的發(fā)展。因此，讓業(yè)主參與的多級(jí)性能設(shè)防目標(biāo)急需建立起來。

（二）描述結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)和參數(shù)

通過單一的參數(shù)控制結(jié)構(gòu)破壞和結(jié)構(gòu)正常使用的性能的判，并且基于多級(jí)設(shè)防目標(biāo)的性能參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)也是需要通過大量的實(shí)驗(yàn)研究探索和工程經(jīng)驗(yàn)的積累才能得出的結(jié)果。

（三）基于性能的抗震設(shè)計(jì)原則和效益評(píng)估

基于性能的抗震設(shè)計(jì)是一種面向未來的設(shè)計(jì)的方法，對(duì)于結(jié)構(gòu)全壽命周期的投資-效益的評(píng)估也是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)決策的最基本原則。但是對(duì)于結(jié)構(gòu)全壽命周期投資-效益評(píng)估是一個(gè)涉及人類倫理、工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等諸多方面的復(fù)雜體系，目前仍是一個(gè)留待解決的難題。

四、結(jié)束語

我國算是一個(gè)自然災(zāi)害頻發(fā)的國度，雖然沒有火山海嘯的入侵，但是地震總是不可避免的。中華民族是一個(gè)重視安全的民族，隔振技術(shù)必將指導(dǎo)人們不斷研究具有安全保障的結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物，相信未來的研究前景必然光明。

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