王德偉，常彥錚

(陜西省現(xiàn)代建筑設計研究院，陜西西安710048)

1 層間隔震技術簡介

層間隔震技術是一種新型隔震技術。它主要是將隔震裝置放置在某層柱子和樓板之間從而對建筑結構地震影響進行控制。為了了解框架結構的層間隔震效果，本文以12層的框架結構為例，將隔震層設置在豎向剛度和質量突變的二層柱頂和三層柱底之間，利用通用ANSYS有限元軟件建立抗震結構和層間隔震結構并對結構進行抗震性能分析，比較層間隔震與非隔震結構體系的減震效果，為該類結構隔震設計提供一定的理論依據(jù)和技術參考。

2 有限元模型的建立

根據(jù)框架結構特點并對其加以適當簡化，利用ANSYS有限元軟件建立其抗震結構和層間隔震結構兩種三維有限元模型。鋼筋混凝土的彈性模量取值按混凝土的彈性模量選取，材料參數(shù)見表1所示。對于結構的梁、柱構件均采用Beam188單元來模擬;模型在加層間隔震支座時，將二層所有的柱子在頂部都斷開，隔震裝置放置在柱頂與上層樓板之間。隔震裝置豎向剛度的模擬采用combin14單元，在兩個水平方向采用combin40單元，一個隔震支座就有三個單元組成，分別為 combin40(X方向)、combin40(Y方向)、combin14(Z方向)。本文采用GZY600型鉛芯橡膠，其參數(shù)見表2所示。在ANSYS有限元分析程序中建立的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 結構三維有限元模型

表1 材料計算參數(shù)表

表2 GZY600型鉛芯橡膠隔震支座參數(shù)

3 模態(tài)分析

在上述兩種三維有限元模型中，利用ANSYS有限元軟件并采用Block Lanczos算法對其進行求解，得出各種模型的前十五階頻率，見表3所示。圖2為結構的自振頻率的變化趨勢。

從表3的結構自振頻率可知，抗震框架結構基本周期為1.6 276 s;層間隔震框架結構基本周期為2.4 254 s。后者比前者延長了0.7 978 s，幅度達到49.02%，說明這兩種結構基本周期差別是很明顯的。并且可知層間隔震框架結構的周期大大增加，從而有效地增大了建筑物的基本周期，使結構的基本周期遠離建筑場地的卓越周期，從而避開了地震的主要攜能頻帶，減輕了結構的地震反應。

表3 結構的自振頻率

圖2 結構的自振頻率的變化趨勢

4 地震響應分析

采用動力時程分析法對結構進行地震反應研究，選擇蘭州波作為地震激勵。根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范和西安設防烈度要求，考慮罕遇地震情況，峰值為400 cm/s2，時間間隔為0.02 s，持時為20 s。對抗震框架結構和層間隔震框架結構輸入上述地震波進行地震反應分析，分別得到結構層間位移幅值、加速度幅值及層間剪力，見表4、表5、表6及圖3～圖8。

表4 結構各樓層層間位移幅值(cm)以及反應比

表5 結構各樓層層間加速度幅值(cm/s2)以及反應比

表6 結構各樓層層間剪力幅值(kN)以及反應比

圖3 蘭州波x向的層間位移曲線圖

圖4 蘭州波y向的層間位移曲線圖

圖5 蘭州波x向的層間加速度曲線圖

圖6 蘭州波y向的層間加速度曲線圖

圖7 蘭州波x向的層間剪力曲線圖

圖8 蘭州波y向的層間剪力曲線圖

從上述表和曲線圖中可知，在罕遇地震作用下，層間隔震框架結構除隔震層外其余各樓層層間位移比抗震框架結構各樓層層間位移均減小，結構位移變形主要集中在隔震層，從而減小了水平地震作用向上部建筑結構的傳遞;抗震框架結構與層間隔震框架結構的位移幅值反應比最大為18.261;且隔震層上部建筑結構層間位移基本接近，作整體平動，因此層間隔震框架結構能有效地減小結構的地震反應。在罕遇地震作用下，層間隔震結構各樓層的相對加速度幅值均比抗震結構相應樓層加速度幅值減小，抗震結構與層間隔震結構加速度幅值反應比最大為4.627;從抗震結構與層間隔震結構的層間剪力分析結果可知，抗震結構與層間隔震結構層間剪力幅值反應比最大為17.063。表明結構采用橡膠隔震支座進行層間隔震能較好地降低結構水平地震反應，具有良好的隔震效果。

5 結論

(1)通過模態(tài)分析可知，層間隔震結構相對于抗震結構來說，層間隔震結構的周期大大增加，有效地延長了建筑物的基本周期，使結構的基本周期遠離建筑場地的卓越周期，減輕了地震對建筑結構的反應。

(2)通過對抗震結構和層間隔震結構依次輸入x、y雙向蘭州波進行地震反應分析，得到在常遇和罕遇地震作用下，層間隔震結構各樓層層間位移比抗震結構各樓層層間位移均減小，變形主要集中在隔震層，且隔震層上部結構基本作整體運動，所以層間隔震結構能有效地減小結構的地震位移反應。

(3)層間隔震結構各樓層的相對加速度幅值均比抗震結構相應樓層加速度幅值減小，層間隔震能較好地降低結構水平地震反應，具有良好的隔震效果。

(4)從抗震結構與層間隔震結構的層間剪力分析對比可知，層間隔震結構可以有效地減小結構的各層間剪力。

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