滕曉飛 姚文花 周林麗 曾玲玉

（1嘉應(yīng)學(xué)院土木工程學(xué)院；2廣州大學(xué)工程抗震研究中心）

0 引言

我國建筑抗震設(shè)計的基本設(shè)防目標(biāo)是不同設(shè)計階段對應(yīng)不同的設(shè)計水準(zhǔn)目標(biāo)[1]。然而，結(jié)構(gòu)體系在不同設(shè)計階段會遭受不同強度地震作用的影響，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力及強弱關(guān)系預(yù)估比設(shè)計階段出現(xiàn)更大的偏差，進而影響到整體結(jié)構(gòu)的失效模式和可靠性[2]。對于隔震結(jié)構(gòu)來說，由于柔軟隔震層的存在，使得整個體系表現(xiàn)出明顯的非比例阻尼特性。隔震直接設(shè)計法[3]通過迭代處理隔震層的非線性問題而使設(shè)計更加方便，因而得到推廣和應(yīng)用。增量動力分析方法[4]（IDA）是近些年發(fā)展起來的一種用于評價結(jié)構(gòu)抗震性能的動力參數(shù)分析方法，該方法的思路與我國模擬地震振動臺動力試驗的思路如出一轍，因此，可以更好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系在不同設(shè)計階段的性能表現(xiàn)。本研究將增量動力分析法應(yīng)用于某8度區(qū)簡單隔震工程算例，對直接設(shè)計法的設(shè)計結(jié)果進行研究并得出結(jié)論，以期為廣大隔震設(shè)計同行提供參考和借鑒。

1 不同抗震水準(zhǔn)的隔震設(shè)計問題

隔震結(jié)構(gòu)利用隔震裝置足夠柔軟的水平剛度以及足夠大的耗能能力來阻隔地震能量向上傳遞，從而有效保護上部主體結(jié)構(gòu)的安全。然而，正是因為隔震裝置的這種特性導(dǎo)致隔震建筑成為了非線性體系，給隔震設(shè)計帶來一定困難。隔震裝置的滯回曲線大多表現(xiàn)為多段線性或Bonc-Wen模型[5-6]，如圖1所示。在隔震設(shè)計時必須先將隔震結(jié)構(gòu)這個非線性體系轉(zhuǎn)換為等效線性化的彈性體系來進行分析計算，隔震直接設(shè)計法基于減隔震裝置的非線性滯回模型，以等效線性化迭代的方式處理了此類問題。事實上，我國建筑抗震設(shè)計的基本設(shè)防目標(biāo)是不同設(shè)計階段對應(yīng)不同的設(shè)計水準(zhǔn)目標(biāo)，兩階段的設(shè)計要求又難以體現(xiàn)不同水準(zhǔn)下的設(shè)計目標(biāo)是否滿足要求。因此，將增量動力分析方法用于隔震體系評估設(shè)計結(jié)果是必要的。由于隔震體系的非比例阻尼特性，不同的設(shè)計階段的迭代結(jié)果都會存在一定的誤差，這種誤差究竟有多大，是否能夠滿足工程應(yīng)用的需求？這是一個值得研究的問題。

圖1 隔震裝置滯回曲線

2 增量動力分析方法

增量動力分析方法是近年發(fā)展起來的一種用于定量評價結(jié)構(gòu)抗震性能的動力參數(shù)分析方法。它通過對結(jié)構(gòu)施加一條特定的地震動時程記錄，將該條特定的地震動時程記錄按一定規(guī)則調(diào)整為多重強度水平，并在每一強度水平下分別進行時程分析，得到一系列工程需求參數(shù)。建立增量動力分析結(jié)果（DM）和地震動強度指標(biāo)（IM）之間的關(guān)系曲線（IDA曲線）即可用于評價在不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)性能。增量動力分析的步驟如下：

⑴建立增量動力分析的有限元模型并根據(jù)選擇一定數(shù)量的地震動記錄。

⑵設(shè)計地震動時程記錄的調(diào)幅規(guī)則并對相應(yīng)的地震動時程記錄進行調(diào)幅，得到調(diào)幅后的地震動記錄用于增量動力分析。

⑶計算調(diào)幅地震動時程記錄下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)結(jié)果并進行分析。

⑷若需要多條原始地震動時程記錄同樣重復(fù)上述（2～3）步驟，可以繪制IDA曲線進行分析。

⑸結(jié)合概率統(tǒng)計的方法對多條IDA分析結(jié)果進行后處理分析。若假定IDA曲線服從正態(tài)分布，可以得到不同IM均值和標(biāo)準(zhǔn)差對應(yīng)的均值曲線和標(biāo)準(zhǔn)差對數(shù)曲線用于評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 算例分析

為了研究增量動力分析方法用于隔震直接設(shè)計法的設(shè)計效果評估，首先以某8層規(guī)則的隔震框架結(jié)構(gòu)為例進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。其中，結(jié)構(gòu)平面尺寸為26.4m×12.6m，建筑高度為26.2m，抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），II類場地，設(shè)計地震分組為第二組，場地特征周期為0.4s。隔震層層高1.8m，共布置了12個LRB500和12個LNR500的隔震支座。

圖2 隔震框架結(jié)構(gòu)模型

采用集成化建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計軟件YJK進行設(shè)計，在上部構(gòu)件尺寸確定的前提下，分別得到設(shè)防地震、罕遇地震和極罕遇地震下的最大層間位移角、最大基底剪力和隔震層最大位移,如表1所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計結(jié)果

為了采用增量動力分析方法對該模型隔震的設(shè)計結(jié)果進行評估，選擇和抗震設(shè)計反應(yīng)譜吻合較好的Imperial-Valley波作為特定的地震動時程記錄，如圖3所示；以多遇地震（70gal）、設(shè)防地震（200gal）、罕遇地震（400gal）和極罕遇地震（600gal）四個不同設(shè)計水準(zhǔn)對應(yīng)的峰值加速度作為調(diào)幅規(guī)則進行增量動力分析，得到結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)結(jié)果如表2所示，不同階段的IDA曲線如圖4所示。

圖3 ImperialValley地震動時程曲線

圖4 隔震層最大位移的IDA曲線

表2 隔震框架增量動力分析結(jié)果

由以上分析結(jié)果可知：不同設(shè)計水準(zhǔn)下，IDA分析的隔震層最大位移分別100mm、239mm和363mm，最大基底剪力為3122kN、7511kN和12007kN；直接設(shè)計法的最大隔震層位移分別為93mm、236mm和354mm，最大基底剪力分別為2894kN、7368kN和11152kN，隔震層最大位移誤差僅為7.0%、1.3%和1.1%。盡管增量動力分析的結(jié)果略大于隔震設(shè)計結(jié)果，這是由于隔震設(shè)計需要將隔震層的非線性參數(shù)處理成等效線性參數(shù)造成的，但最大誤差并沒有超過8%，基本可以滿足簡單隔震工程的應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

基于建筑抗震兩階段設(shè)計法分析了隔震設(shè)計中存在的問題，將增量動力分析方法用于某8度區(qū)隔震工程并對設(shè)計結(jié)果進行分析，研究表明：由于需要將隔震層的非線性參數(shù)處理成等效線性參數(shù)，導(dǎo)致增量動力分析的結(jié)果略大于隔震設(shè)計結(jié)果，但最大誤差并沒有超過8%，基本可以滿足簡單隔震工程的應(yīng)用需求。