隔震结构抗震分析方法综述
刘畅
土木工程
2014105110
隔震结构抗震分析方法综述
摘要：作为突发的自然现象，地震给人们造成了不可挽回的巨大损失，文章通过介绍地震的危害，引出新技术隔震结构。指出了隔震结构的基本构成以及其对比传统的抗震结构体系的优越性，并总结了近些年在期刊、专著或者是学位论文中在隔震结构的抗震分析中使用到的几种基本方法。文章最后，辩证的指出了目前隔震结构研究还存在的问题，展望了不久的将来。
关键词：地震、隔震结构、抗震分析；
地震是一种突发性的自然现象，地震时释放的地震能量造成了人类生命和财产的巨大损失，是人类所面临的最主要的自然灾害之一。传统的抗震设计致力于保证结构本身具有足够的强度、刚度和延性，使建筑做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”，从而达到减轻地震灾害的目的。但是，从最近几年发生的四川汶川地震和海地地震造成的巨大灾难来看，原有抗震模式在强震下的不足，并且随着社会经济的快速发展，大量不同性质，不同类型的建筑物如雨后春笋般拔地而起。如何最大限度的确保在强烈地震作用下此类结构的安全，不致使人民生命安全和财产遭受重大损失；如何保证地震发生时建筑物内精密技术设备能够正常运行而不会由于遭受建筑物的地震反应而破坏，这些都是结构工程技术人员面临的一个现实而又重大的课题，而我们称之为“工程结构的减震控制技术”的出现及其应用(即隔震技术)，同时
满足了结构的使用性和安全性要求，也为解决这类特殊问题开辟了新的途径，各种隔震结构的研究和应用也成为一种未来结构抗震的趋势和潮流。
隔震是一种革新的抗震方法，它旨在解除结构与地面运动的耦联关系，通过增加结构的柔性与提供附加阻尼来减小输入到结构中的地震作用。我国的隔震研究开始于上个世纪70年代，早期主要是针对砂垫层滑移隔震的研究，并在云南和四川进行了小型工程试点。80年代后，开始了采用多种隔震装置的隔震结构工程应用尝试，并陆续建成了沙垫层隔震建筑、滑移块隔震建筑、石墨砂浆层钢棒消能隔震建筑，并且于1994年建成了第一幢叠层橡胶支座隔震住宅楼。此后，采用橡胶隔震支座的隔震建筑和滑移支座的隔震建筑在我国不断得到应用[6]。
结构隔震体系是指在结构物底部或某层间设置隔震装置而形成的结构体系，它包括上部结构，隔震层和下部结构三部分。隔震层可以有四个不同的位置布置，即基础隔震，层间隔震，首层隔震和顶层隔震。
隔震结构体系是区别于传统抗震结构体系的一种被动控制体系，通过设置隔震层来吸收并消耗地震能量，减小结构的地震反应，确保结构的安全。隔震结构体系改变了传统抗震结构体系的耗能原理，即通过隔震层的耗能装置、而不是结构和结构构件来吸收并消耗地震能量，这种优越的耗能
特性是传统抗震结构体系所不能够实现的。经过近三十年的研究，隔震技术在应用基础理论和工程应用等方面取得了较大的研究成果。
目前结构地震反应分析方法主要分为两大类:时域分析方法和频域分析方法，文献[1]，[2]，[3]等对隔震结构的时域分析方法有较详细的论述，计算模型有：质点系平动模型；质点系平动加转动模型；考虑扭转效应的质点系模型；空间分析模型等。现阶段非隔震的高层和超高层隔震建筑，进行弹塑性地震反应的分析模型和计算软件已经在工程界得到了较广泛的应用。对于高层和超高层、塔型等大高宽比隔震结构体系，由于振动台试验研究、工程应用、强震观测记录、震害观测等方面的不足，需要在地震反应计算分析模型、简化计算模型和实用设计法等方面进行深入的研究探讨。
我国2010年颁布的抗震设计规范提出对多层隔震结构房屋可以采用剪切型多质点计算模型计算结构的地震反应，对大高宽比的高层和超高层、塔型隔震结构体系的计算模型等都没有作说明[4]。在一篇名为《夹层橡胶基础隔震结构动力分析》的硕士学位论文进行析基础隔震结构动力分析时，采用的是基本的多质点隔震体系模型，与之相近研究方向的关于基础隔震结构体系的分析的硕士学位论文，均采用的多质点模型；一篇《橡胶隔震支座力学性能及隔震结构地震反应分析研究》的博士学位论则研究探讨采用多质点系计算模
型计算大高宽比隔震结构的地震反应；对底层柱顶隔震结构在设防烈度和超设防烈度作用下的抗震性能分析，应用有限元软件建模，进行动力弹塑性时程分析[5]；大底盘多塔隔震结构的抗震分析方法同样也是软件建模之后进行同时考虑上部结构弹塑性与隔震支座非线性行为的抗震分析；大跨度连续钢桁梁桥的抗震性能采用通用有限元程序建立该桥空间有限元模型，采用非线性时程分析方法对未隔震及应用摩擦摆支座隔震后的桥梁结构响应进行分析；在某些情况下，隔震结构采用分离式计算方法进行结构设计，由于使用统一的减震系数，部分楼层剪力调整偏大。采用振型分解反应谱法，将隔震层和上部结构作为整体结构进行分析可有效解决这一问题。
其实总结起来看，不难发现，目前关于隔震结构的应用虽然在汶川等大型地震之后备受关注，但是由于我国在此方面发展起步较晚，面对的问题相对较少，所以并不如日本以及欧美等发达国家。对于隔震结构的抗震分析的方法虽然看起来比较少，显得单薄，但是也能比较正确的解决我国目前所面临的问题，能比较好的对需要的隔震结构进行设计和计算。
目前，隔震结构的应用范围由前文，根据隔震层的位置分为基础隔震，层间隔震，首层隔震和顶层隔震。根据查询的众多资料文献可以看出，有的时候如果隔震层位置在一层
柱顶，也是可以归类为基础隔震，而很多学者研究方向也是放在基础的隔震研究，只有少部分研究是在层间隔震以及顶层的隔震；对于不同的行业，有比如关于大跨度连续钢桁梁桥支座隔震研究。当然，也有一些比较不一样的研究重点，比如新型钢筋层的隔震。随着现今社会越来越多的自然地震灾害，以及次生灾害，使得越来越多的学者放眼隔震系统和隔震结构的优点，这必然让我们在防震减灾方面取得长足进步。
但是，应理性的认识到，基于性能的抗震设计理论和方法的研究还处于初始阶段，还存在着很多的困难和问题，在总结国内外该领域研究成果的基础上，在以下几个方面的认识上还存在一定的问题：
1、结构性能水准的划分。目前结构性能水准的划分依据主要来自结构实验和地震经验，而现代建筑结构和居住环境条件的改变使得原有的性能水准的划分不能很好适应现代结构设计的发展。
2、结构性能设防目标的选择。原有建筑抗震设计的设防目标主要是由工程师根据规范所规定的最低设防要求确定的，缺少业主的主动参与，而基于性能的抗震设计是在满足建筑性能最低社会需求的基础上面向业主、注重建筑个性的，因此，考虑业主参与选择的多级性能设防目标亟待建立。
3、描述结构抗震性能的参数及其评价指标。采用单一
的控制结构破坏和结构正常使用的性能参数有不尽科学与完善之处，并且基于多级设防目标的性能参数评价指标需要大量的实验研究和工程经验的积累。
4、基于性能的抗震设计原则和效益评估。基于性能的抗震设计是一种面向未来的设计，基于结构全寿命周期的投资-效益评估是实现结构性能设计决策的基本原则，而结构全寿命周期投资-效益评估是一个涉及工程技术、社会经济以及人类伦理的复杂体系，目前仍是一个十分棘手的难题。
我国算是一个自然灾害频发的国度，虽然没有火山海啸的入侵，但是地震总是不可避免的。中华民族是一个重视安全的民族，这必将指导人们不断研究具有安全保障的结构物或构筑物，相信未来的研究前景必然光明。
参考文献：
[1]. Architectural Institute of Japan. "Recommendation for the Design of Base Isolated Building"[M]. 1993. Tokyo: Marozen Corporation.
[2]. 周福霖.工程结构减震控制 [M].1997.北京: 地震出版社.
[3]. Bashshi, A., Shimazu, T. and Araki, H.. "A Practical Proposal for Seismic Isolation Design Against Extremely Strong Earthquakes" [C]. 2000. 12WCEE 1336.
[4]. 中国工程建设标准化协会标准.叠层橡胶隔震支座隔震技术规程[S]. 2010.
[5]. 江栋恒．超烈度的柱顶隔震结构抗震性能分析
[J] ．南昌大学学报：工科版，2014，36 (4) ：341—346，372.
[6]. 郭永恒. 基础隔震结构基于性能的设计方法研究[D]. 广州：广州大学. 2007.
[7]. 邓烜，叶烈伟，郁银泉，曾德民，高晓明. 大底盘多塔隔震结构设计[J] . 建筑结构，2015，45（8）：13-18，24.
[8]. 王志英，张常勇. 大跨度连续钢桁梁桥摩擦摆支座减隔震设计分析[J] . 桥梁建设，2015，45（2）：58-64.
[9]. 薛彦涛，巫振弘. 隔震结构振型分解反应谱计算方法研究[J] . 建筑结构学报，2015，36（4）：119-125.
[10]. 倪涛. 新型钢筋隔震层抗震研究[D]. 长沙：湖南大
学，2010.
[11]. 刘文光. 橡胶隔震支座力学性能及隔震几结构地震反应分析研究[D]. 北京：北京工业大学，2003.
[12]. 张婷. 层间隔震结构抗震性能的研究及隔震支座敏感性分析[D]. 西安：西安理工大学，2010.
[13]. 方咏. 高层框架-剪力墙基础隔震结构的抗震分析
[D]. 合肥：安徽建筑工业学院，2012
隔震结构抗震分析方法综述
刘畅
土木工程
2014105110
隔震结构抗震分析方法综述
摘要：作为突发的自然现象，地震给人们造成了不可挽回的巨大损失，文章通过介绍地震的危害，引出新技术隔震结构。指出了隔震结构的基本构成以及其对比传统的抗震结构体系的优越性，并总结了近些年在期刊、专著或者是学位论文中在隔震结构的抗震分析中使用到的几种基本方法。文章最后，辩证的指出了目前隔震结构研究还存在的问题，展望了不久的将来。
关键词：地震、隔震结构、抗震分析；
地震是一种突发性的自然现象，地震时释放的地震能量造成了人类生命和财产的巨大损失，是人类所面临的最主要的自然灾害之一。传统的抗震设计致力于保证结构本身具有足够的强度、刚度和延性，使建筑做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”，从而达到减轻地震灾害的目的。但是，从最近几年发生的四川汶川地震和海地地震造成的巨大灾难来看，原有抗震模式在强震下的不足，并且随着社会经济的快速发展，大量不同性质，不同类型的建筑物如雨后春笋般拔地而起。如何最大限度的确保在强烈地震作用下此类结构的安全，不致使人民生命安全和财产遭受重大损失；如何保证地震发生时建筑物内精密技术设备能够正常运行而不会由于遭受建筑物的地震反应而破坏，这些都是结构工程技术人员面临的一个现实而又重大的课题，而我们称之为“工程结构的减震控制技术”的出现及其应用(即隔震技术)，同时
满足了结构的使用性和安全性要求，也为解决这类特殊问题开辟了新的途径，各种隔震结构的研究和应用也成为一种未来结构抗震的趋势和潮流。
隔震是一种革新的抗震方法，它旨在解除结构与地面运动的耦联关系，通过增加结构的柔性与提供附加阻尼来减小输入到结构中的地震作用。我国的隔震研究开始于上个世纪70年代，早期主要是针对砂垫层滑移隔震的研究，并在云南和四川进行了小型工程试点。80年代后，开始了采用多种隔震装置的隔震结构工程应用尝试，并陆续建成了沙垫层隔震建筑、滑移块隔震建筑、石墨砂浆层钢棒消能隔震建筑，并且于1994年建成了第一幢叠层橡胶支座隔震住宅楼。此后，采用橡胶隔震支座的隔震建筑和滑移支座的隔震建筑在我国不断得到应用[6]。
结构隔震体系是指在结构物底部或某层间设置隔震装置而形成的结构体系，它包括上部结构，隔震层和下部结构三部分。隔震层可以有四个不同的位置布置，即基础隔震，层间隔震，首层隔震和顶层隔震。
隔震结构体系是区别于传统抗震结构体系的一种被动控制体系，通过设置隔震层来吸收并消耗地震能量，减小结构的地震反应，确保结构的安全。隔震结构体系改变了传统抗震结构体系的耗能原理，即通过隔震层的耗能装置、而不是结构和结构构件来吸收并消耗地震能量，这种优越的耗能
特性是传统抗震结构体系所不能够实现的。经过近三十年的研究，隔震技术在应用基础理论和工程应用等方面取得了较大的研究成果。
目前结构地震反应分析方法主要分为两大类:时域分析方法和频域分析方法，文献[1]，[2]，[3]等对隔震结构的时域分析方法有较详细的论述，计算模型有：质点系平动模型；质点系平动加转动模型；考虑扭转效应的质点系模型；空间分析模型等。现阶段非隔震的高层和超高层隔震建筑，进行弹塑性地震反应的分析模型和计算软件已经在工程界得到了较广泛的应用。对于高层和超高层、塔型等大高宽比隔震结构体系，由于振动台试验研究、工程应用、强震观测记录、震害观测等方面的不足，需要在地震反应计算分析模型、简化计算模型和实用设计法等方面进行深入的研究探讨。
我国2010年颁布的抗震设计规范提出对多层隔震结构房屋可以采用剪切型多质点计算模型计算结构的地震反应，对大高宽比的高层和超高层、塔型隔震结构体系的计算模型等都没有作说明[4]。在一篇名为《夹层橡胶基础隔震结构动力分析》的硕士学位论文进行析基础隔震结构动力分析时，采用的是基本的多质点隔震体系模型，与之相近研究方向的关于基础隔震结构体系的分析的硕士学位论文，均采用的多质点模型；一篇《橡胶隔震支座力学性能及隔震结构地震反应分析研究》的博士学位论则研究探讨采用多质点系计算模
型计算大高宽比隔震结构的地震反应；对底层柱顶隔震结构在设防烈度和超设防烈度作用下的抗震性能分析，应用有限元软件建模，进行动力弹塑性时程分析[5]；大底盘多塔隔震结构的抗震分析方法同样也是软件建模之后进行同时考虑上部结构弹塑性与隔震支座非线性行为的抗震分析；大跨度连续钢桁梁桥的抗震性能采用通用有限元程序建立该桥空间有限元模型，采用非线性时程分析方法对未隔震及应用摩擦摆支座隔震后的桥梁结构响应进行分析；在某些情况下，隔震结构采用分离式计算方法进行结构设计，由于使用统一的减震系数，部分楼层剪力调整偏大。采用振型分解反应谱法，将隔震层和上部结构作为整体结构进行分析可有效解决这一问题。
其实总结起来看，不难发现，目前关于隔震结构的应用虽然在汶川等大型地震之后备受关注，但是由于我国在此方面发展起步较晚，面对的问题相对较少，所以并不如日本以及欧美等发达国家。对于隔震结构的抗震分析的方法虽然看起来比较少，显得单薄，但是也能比较正确的解决我国目前所面临的问题，能比较好的对需要的隔震结构进行设计和计算。
目前，隔震结构的应用范围由前文，根据隔震层的位置分为基础隔震，层间隔震，首层隔震和顶层隔震。根据查询的众多资料文献可以看出，有的时候如果隔震层位置在一层
柱顶，也是可以归类为基础隔震，而很多学者研究方向也是放在基础的隔震研究，只有少部分研究是在层间隔震以及顶层的隔震；对于不同的行业，有比如关于大跨度连续钢桁梁桥支座隔震研究。当然，也有一些比较不一样的研究重点，比如新型钢筋层的隔震。随着现今社会越来越多的自然地震灾害，以及次生灾害，使得越来越多的学者放眼隔震系统和隔震结构的优点，这必然让我们在防震减灾方面取得长足进步。
但是，应理性的认识到，基于性能的抗震设计理论和方法的研究还处于初始阶段，还存在着很多的困难和问题，在总结国内外该领域研究成果的基础上，在以下几个方面的认识上还存在一定的问题：
1、结构性能水准的划分。目前结构性能水准的划分依据主要来自结构实验和地震经验，而现代建筑结构和居住环境条件的改变使得原有的性能水准的划分不能很好适应现代结构设计的发展。
2、结构性能设防目标的选择。原有建筑抗震设计的设防目标主要是由工程师根据规范所规定的最低设防要求确定的，缺少业主的主动参与，而基于性能的抗震设计是在满足建筑性能最低社会需求的基础上面向业主、注重建筑个性的，因此，考虑业主参与选择的多级性能设防目标亟待建立。
3、描述结构抗震性能的参数及其评价指标。采用单一
的控制结构破坏和结构正常使用的性能参数有不尽科学与完善之处，并且基于多级设防目标的性能参数评价指标需要大量的实验研究和工程经验的积累。
4、基于性能的抗震设计原则和效益评估。基于性能的抗震设计是一种面向未来的设计，基于结构全寿命周期的投资-效益评估是实现结构性能设计决策的基本原则，而结构全寿命周期投资-效益评估是一个涉及工程技术、社会经济以及人类伦理的复杂体系，目前仍是一个十分棘手的难题。
我国算是一个自然灾害频发的国度，虽然没有火山海啸的入侵，但是地震总是不可避免的。中华民族是一个重视安全的民族，这必将指导人们不断研究具有安全保障的结构物或构筑物，相信未来的研究前景必然光明。
参考文献：
[1]. Architectural Institute of Japan. "Recommendation for the Design of Base Isolated Building"[M]. 1993. Tokyo: Marozen Corporation.
[2]. 周福霖.工程结构减震控制 [M].1997.北京: 地震出版社.
[3]. Bashshi, A., Shimazu, T. and Araki, H.. "A Practical Proposal for Seismic Isolation Design Against Extremely Strong Earthquakes" [C]. 2000. 12WCEE 1336.
[4]. 中国工程建设标准化协会标准.叠层橡胶隔震支座隔震技术规程[S]. 2010.
[5]. 江栋恒．超烈度的柱顶隔震结构抗震性能分析
[J] ．南昌大学学报：工科版，2014，36 (4) ：341—346，372.
[6]. 郭永恒. 基础隔震结构基于性能的设计方法研究[D]. 广州：广州大学. 2007.
[7]. 邓烜，叶烈伟，郁银泉，曾德民，高晓明. 大底盘多塔隔震结构设计[J] . 建筑结构，2015，45（8）：13-18，24.
[8]. 王志英，张常勇. 大跨度连续钢桁梁桥摩擦摆支座减隔震设计分析[J] . 桥梁建设，2015，45（2）：58-64.
[9]. 薛彦涛，巫振弘. 隔震结构振型分解反应谱计算方法研究[J] . 建筑结构学报，2015，36（4）：119-125.
[10]. 倪涛. 新型钢筋隔震层抗震研究[D]. 长沙：湖南大
学，2010.
[11]. 刘文光. 橡胶隔震支座力学性能及隔震几结构地震反应分析研究[D]. 北京：北京工业大学，2003.
[12]. 张婷. 层间隔震结构抗震性能的研究及隔震支座敏感性分析[D]. 西安：西安理工大学，2010.
[13]. 方咏. 高层框架-剪力墙基础隔震结构的抗震分析
[D]. 合肥：安徽建筑工业学院，2012