不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)研究進展及展望

馬永宏

（上海中星志成建筑設(shè)計有限公司， 上海 200092）

0 前言

隨著人類生產(chǎn)生活需求的擴大，以及社會生產(chǎn)力的提高，高層建筑、大跨建筑、體型復(fù)雜的不規(guī)則建筑和先進的隔震建筑等都不斷涌現(xiàn)。由于隔震建筑在地震中的良好表現(xiàn)，采用隔震技術(shù)設(shè)計的實際工程也逐漸增多，得到較為廣泛的發(fā)展與推廣應(yīng)用，同時，建筑體型也逐漸豐富起來，水平和豎向不規(guī)則的隔震建筑開始出現(xiàn)。

近年，數(shù)字化、信息化技術(shù)井噴發(fā)展，人類需求更加多元，不再要求建筑是規(guī)矩的形體。一方面，數(shù)字化技術(shù)、特別是BIM三維建模的運用，智能建造的出現(xiàn)，以及裝配式建筑開始普及，使非線性、扭曲面等很多難以計算和分析的不規(guī)則問題都得以解決，空間也不必受形體的約束；虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，為建筑設(shè)計提供了強大的技術(shù)支持；另一方面，新材料的出現(xiàn)，更加方便了各種形式的形狀和空間的建筑設(shè)計，旅游經(jīng)濟的刺激和對城市標志性建筑的追求，對不規(guī)則建筑的發(fā)展也起到了巨大的促進作用[1]。

雖然隔震技術(shù)是一種發(fā)展比較成熟的被動控制技術(shù)[2]，但不規(guī)則隔震建筑的應(yīng)用實例還不太多，其震動相應(yīng)和有關(guān)影響因素等問題的研究時間還不長，有很多問題還未解決。在歷次地震中，與普通建筑相比，不規(guī)則建筑的震害更為嚴重[3]：質(zhì)量中心和剛度中心偏離，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)強烈，容易發(fā)生脆性破壞；結(jié)構(gòu)的不對稱會造成應(yīng)力集中，形成薄弱層，使結(jié)構(gòu)在受到較大地震力的作用并發(fā)生嚴重破壞。不規(guī)則結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析研究一直是結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。特別對于隔震建筑，不規(guī)則會影響結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和隔震效果，需要進行專門設(shè)計，并在結(jié)構(gòu)倒塌分析中產(chǎn)生重要影響。

1 不規(guī)則建筑抗震性能的研究進展

1.1 不規(guī)則建筑的抗震概念設(shè)計研究

抗震概念設(shè)計一般是指在一些在計算中或在規(guī)范中難以做出具體規(guī)定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，依據(jù)結(jié)構(gòu)破壞機理、地震破壞現(xiàn)象、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗等總結(jié)的的基本設(shè)計思想和原則，用符合工程客觀規(guī)律和本質(zhì)的方法，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細部措施，對所設(shè)計的對象作宏觀的控制。抗震概念設(shè)計是抗震設(shè)計的重要組成部分，不僅可以保證正確的設(shè)計原則，還可以提高設(shè)計水平?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，應(yīng)重視其平面、立面和剖面的規(guī)則性對抗震性能的研究，宜擇優(yōu)選用規(guī)則的形體[4]。但不規(guī)則建筑很難滿足“簡單、均勻、對稱”的要求，必須有效地進行構(gòu)思、比較與選擇最佳方案，避免后期問題。

目前，人們對具體的空間結(jié)構(gòu)的研究上還存在局限性，必須加強對概念設(shè)計的理解并應(yīng)用到不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)中去。早在1997年，錢稼茹等人在文獻[5]中，就列舉了美國高烈度地震區(qū)90年代以來的一些不規(guī)則高層建筑工程實例，重點介紹了這些建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計方法。2002年，沈曉峰等人[6]討論了豎向體型為梯形的建筑結(jié)構(gòu)在不收進、單邊收進和對稱收進等不同體型情況下，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，體現(xiàn)了概念設(shè)計的重要性和必要性。

1.2 不規(guī)則建筑的地震響應(yīng)研究

在2000年，Ghersi等人分別研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對質(zhì)量偏心體系和剛度偏心體系的地震反應(yīng)的不同影響規(guī)律，并將兩種影響結(jié)果進行統(tǒng)一分析，總結(jié)出了具有統(tǒng)計意義的、較為統(tǒng)一的參數(shù)影響規(guī)律，但與大偏心結(jié)構(gòu)體系的實際情況相差較遠[7]。影響偏心結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的因素較為復(fù)雜，某些結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響隨偏心體系的不同而表現(xiàn)出不同的規(guī)律性。目前，研究成果基本是基于剛度偏心體系(SES)或質(zhì)量偏心體系(MES)這兩種模型給出的。但是在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計者并不能事先知道設(shè)計結(jié)構(gòu)的偏心類型，因而無法采用相應(yīng)的設(shè)計依據(jù)，增加了設(shè)計過程的復(fù)雜性[8]。

近年，隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的增多，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的重點也逐漸轉(zhuǎn)移到高層不規(guī)則建筑上來。

2014年周俊[9]等對某不規(guī)則超限高層建筑工程的抗震設(shè)計進行了研究，將基于性能的抗震設(shè)計方法應(yīng)用到復(fù)雜的高層不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)工程中，得出結(jié)構(gòu)整體和局部構(gòu)件的地震響應(yīng)，并判別出結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱部位，在設(shè)計中予以加強。廣西大學(xué)的龐懷[10]等人在2017年對南寧某項目D7棟超高層超限及抗震性能設(shè)計及地震響應(yīng)進行了數(shù)值模擬研究。 2018年，史沛元[11]對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的不規(guī)則性進行了研究，研究以目前我國高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀為基準，分析了建筑產(chǎn)業(yè)中不規(guī)則結(jié)構(gòu)的種類，以及不同設(shè)計手段對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

2 不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的研究進展

2.1 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的隔震層設(shè)計

體型復(fù)雜的不規(guī)則的建筑采用隔震設(shè)計時，可以通過隔震層支座有效布置，盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心重合，達到減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的。所以在隔震設(shè)計時應(yīng)當注意隔震支座的型號選擇及布置等問題，也需注意和阻尼器等裝置的配合使用。

2013年，劉德穩(wěn)和王瓊芬等人[12]，從建筑功能和減震效果兩個方面，對某L型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的三種隔震支座布置方案進行了對比和綜合評價，確定了最優(yōu)的設(shè)計方案，并對隔震機構(gòu)進行了抗風計算和地震作用下的非線性時程分析。分析結(jié)果表明，該L型隔震結(jié)構(gòu)可以在不設(shè)抗震縫的情況下采用隔震設(shè)計，并通過數(shù)值模擬等方法，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心盡量重合，降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，既保持了建筑功能，由避免了扭轉(zhuǎn)的震害，保持了減震效果。

干洪和楊丹丹于2016年，對某平立面均不規(guī)則的隔震結(jié)構(gòu)進行了建模分析[13]，研究發(fā)現(xiàn)為當隔震層全部采用LRB橡膠支座時，選用同一大小支座相比采用不同大小的支座能夠減少隔震層剛度偏心；若需采用不同大小，應(yīng)將大尺寸的LRB盡量設(shè)置在拐角處；隔震層規(guī)則可以有效降低上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)震害。

2.2 不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的動力時程響應(yīng)

時程分析的結(jié)果顯示，采用隔震技術(shù)后，立面、平面不規(guī)則的建筑也可達到良好的減震效果，不設(shè)縫結(jié)構(gòu)還有利于提高隔震效果。

莊初立、張永山等人[14]，于2014年對高烈度區(qū)某平立面不規(guī)則框架隔震結(jié)構(gòu)進行了時程分析，并與非隔震結(jié)構(gòu)進行了對比，結(jié)果顯示采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的動力特性得到明顯改善，層間位移角大大減小，小震下可降為非隔震結(jié)構(gòu)的十分之一，層剪力也降低為非隔震的79%左右，上部結(jié)構(gòu)可降一度處理；豎向承壓符合規(guī)范要求，情況良好，隔震支座未出現(xiàn)受拉情況。

2015年，時晨對某平面不規(guī)則隔震建筑進行了彈塑性時程分析[15]。研究建立某實際平面不規(guī)則隔震工程的有限元分析模型，在設(shè)置結(jié)構(gòu)縫與不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫兩種情況下輸入不同方向地震波，彈塑性時程分析的結(jié)果表明：罕遇地震下平面不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為嚴重；相比設(shè)縫結(jié)構(gòu)，該未縫結(jié)構(gòu)的減震效果較為優(yōu)秀，隔震層頂板開裂現(xiàn)象也較輕。說明在條件許可時，平面不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)不設(shè)結(jié)構(gòu)縫時有利于提高隔震效果。

2.3 不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的連續(xù)抗倒塌機制研究

雖然隔震結(jié)構(gòu)還未出現(xiàn)過倒塌的先例，但不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的研究還有一些尚未明確的地方，若產(chǎn)生倒塌后果十分嚴重，研究其抗倒塌性能和可靠性等是十分必要的。

為研究立面不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，包超和馬肖彤等人[16]建立了典型的收進式鋼筋混凝土隔震結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用備用荷載路徑法、Pushdown分析方法等，對備用荷載路徑的內(nèi)力變化進行了分析，研究了剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能，結(jié)果表明：除角柱、角支座外，其他豎向構(gòu)件失效后其備用荷載路徑均會經(jīng)歷梁機制、機制轉(zhuǎn)換及懸鏈線機制3個階段，但隔震支座失效后其備用荷載路徑的懸鏈線機制難以充分發(fā)揮抗倒塌作用，對于結(jié)構(gòu)中位置較為特殊的構(gòu)件失效進行專門的分析和設(shè)計。

2017年，黃小寧等人[17]利用基于整體地震損傷模型的可靠度分析方法，對一框剪隔震體系的連續(xù)倒塌可靠度進行分析，利用隔震支座的地震損傷模型，得到了地震作用下隔震支座的失效部位；在考慮損傷結(jié)構(gòu)隨機性的基礎(chǔ)上，利用二次四階矩法等得到損傷框剪結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向連續(xù)倒塌的概率。研究表明，運用可靠度理論對框剪隔震結(jié)構(gòu)進行豎向連續(xù)倒塌可靠度分析，能夠直觀地得到地震作用下，發(fā)生損傷的框剪隔震結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向連續(xù)倒塌的概率，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及震后加固處理提供可靠的依據(jù)。

2.4 不規(guī)則高層隔震結(jié)構(gòu)的研究

隨著社會生產(chǎn)力發(fā)展不規(guī)則的高層隔震結(jié)構(gòu)也逐漸出現(xiàn)。高層建筑有其特殊之處，自振周期較長，采用隔震技術(shù)后周期延長不明顯，減震效果有限，同時支座容易受拉產(chǎn)生破壞，所以不規(guī)則的高層隔震結(jié)構(gòu)需要進行專門研究。

黃鑫東、劉文光、何文福等人[18]，在2010年對某高寬比6.1的不規(guī)則三維隔震結(jié)構(gòu)進行了建模，并選取了十條地震波，分析了地震波頻譜特性，以及隔震層的偏心率對不規(guī)則大高寬比隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明采取隔震技術(shù)后，隔震層和結(jié)構(gòu)頂層的加速度、扭轉(zhuǎn)角減均有明顯減??；并且發(fā)現(xiàn)當隔震周期達某一范圍時，隔震層的偏心對上部結(jié)構(gòu)影響開始減弱。2011年，馬永宏、劉文光等人，曾對一高寬比為5.6，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的不規(guī)則高層建筑進行了分析[19]。分析設(shè)置了不同的隔震層偏心率數(shù)值，時程分析結(jié)果表明，雖然隔震層剛度中心對上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心的偏心率不同，但上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的變化率始終控制在5%以內(nèi)，所以《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》規(guī)范規(guī)定的“隔震層剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心重合”的原則，在實際工程中可適當放寬要求。

3 小結(jié)與展望

首先，不規(guī)則結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量和剛度不均勻，質(zhì)量中心和剛度中心偏離，在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯，采用隔震技術(shù)設(shè)計后，可以通過調(diào)節(jié)隔震層的剛度中心，降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，達到更好地隔震效果。但是關(guān)于隔震層具體布置規(guī)則的研究還不深入，可以繼續(xù)進行研究。

其次，時程分析表明，不規(guī)則結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)也可以達到良好的隔震效果，但是多層偏心結(jié)構(gòu)受各因素的影響規(guī)律比較復(fù)雜，目前研究基本上是局限于特殊的多層偏心的類型，例如結(jié)構(gòu)各層剛度中心和質(zhì)量中心分別在同一條直線上的情況，如何將現(xiàn)有的研究成果應(yīng)用到多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計中去是亟待解決的問題[20]。

再次，雖然隔震結(jié)構(gòu)沒有倒塌先例，但是面對未知的特大地震或者恐怖襲擊等人為破壞，研究其倒塌控制策略還是重要且必要的。對不規(guī)則的隔震結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)角處的隔震支座也容易受到破壞推出工作，必須增加一定的控制裝置或者構(gòu)造措施，保證隔震層的有效工作。

最后，不規(guī)則高層建筑采用隔震技術(shù)時，有其自身的特點，其結(jié)構(gòu)動力特性、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及各影響因素都與多層隔震建筑有一定的區(qū)別，可以結(jié)合更多工程實例，進行專門研究。