何斌

（喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008）

1 引言

隔震技術(shù)在地震設(shè)防高烈度區(qū)的推廣應(yīng)用， 是伴隨相關(guān)技術(shù)科研發(fā)展、技術(shù)工藝改進和政策法規(guī)完善而進行的。 《新疆維吾爾自治區(qū)住建廳關(guān)于自治區(qū)減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知》（新疆建抗［2014］第2 號）和配套的《新疆維吾爾自治區(qū)建筑隔震技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》規(guī)定了隔震設(shè)計的基本要求，提供了設(shè)計的基本路線指導(dǎo)。2021 年版的《建設(shè)工程抗震管理條例》（國務(wù)院第744 號令）進一步規(guī)范減隔震技術(shù)使用范圍，將進一步促使該技術(shù)在新疆的使用。

本文就隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的既有技術(shù)路線進行簡要總結(jié)，采用SAP2000 軟件進行模擬驗證。 對隔震結(jié)構(gòu)有效性檢驗技術(shù)通常采用振動臺試驗方法， 并提出采用脈動法作為補充檢驗方法及相應(yīng)方案。

2 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 隔震設(shè)計流程

隔震設(shè)計的基本目標是上部結(jié)構(gòu)可以達到抗震設(shè)防烈度降低1 度的設(shè)計要求[1]。 在此目標下首先進行上部常規(guī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，確定其動力特性和結(jié)構(gòu)內(nèi)力；其次，進行隔震層設(shè)計，包括隔震支座的布置和型號選擇，明確隔震層的動力參數(shù)設(shè)置；再次，進行包含上部結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的整體抗震計算，通常采用時程分析方式，提取結(jié)構(gòu)反應(yīng)，以明確是否達到隔震設(shè)計的目的。 同時提供上部結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的數(shù)據(jù)；最后，進行隔震支座的驗算和各種構(gòu)造設(shè)計。

2.2 隔震設(shè)計軟件之比較

我國結(jié)構(gòu)設(shè)計在1990 年代已經(jīng)步入電算時代，本文建議采用SAP2000 軟件進行數(shù)值計算；該軟件是CSI 公司推出的較為成熟的行業(yè)設(shè)計軟件[2]，在V20 版本中提供較多隔震支座模 型 模 擬 單 元， 如Plastic （Wen）、Rubber Isolator、Friction isolator 和High Damping Rubber Isolator 等。 常規(guī)設(shè)計和分析中使用Rubber Isolator 來模擬LRB。

3 隔震層設(shè)置對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響

3.1 高烈度區(qū)案例分析

由于日照和風(fēng)沙等自然環(huán)境限制， 新疆的學(xué)校或醫(yī)院建筑宜采用內(nèi)廊式。 取某5 層教學(xué)樓的一榀典型框架作為計算對象，計算模型如圖1 所示。 通過比較非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在8 度區(qū)的時程分析結(jié)構(gòu)， 其中， 隔震支座采用3 種不同參數(shù)，確定隔震層設(shè)置對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響。 案例的基本參數(shù)如表1 所示，采用SAP2000V20 建模。

圖1 教學(xué)樓典型框架計算模型

取時程曲線的位移作為衡量結(jié)構(gòu)時程反應(yīng)的結(jié)果， 見表2。 其中，F(xiàn)1~F5和WF分別表示各層和屋面層左側(cè)節(jié)點的水平位移絕對最大值。

表2 常規(guī)結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)最大水平位移比較 mm

通過對以上的常規(guī)結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)進行比較， 可以得出以下結(jié)論：（1）采用隔震結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的層間位移差呈現(xiàn)出減少狀態(tài)，即內(nèi)力將會減少；（2）多遇地震和罕遇地震比較，內(nèi)力減少幅度將會增加。

因此，需要根據(jù)不同的隔震要求，進行隔震層的支座設(shè)計。

3.2 低于設(shè)防烈度地震下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)

除了對應(yīng)抗震設(shè)防烈度進行時程分析外， 還可以通過將其峰值加速度進行折減， 以模擬更低烈度下的地震影響或環(huán)境振動影響。 仍然采用3.1 節(jié)案例采用地震時程函數(shù)Elcentro進行分析（工況一：30 gal；工況二：10gal；工況三：1gal），主要考慮地震時程分析的最大加速度。

取各層左側(cè)節(jié)點的水平位移絕對最大值作為衡量結(jié)構(gòu)時程反應(yīng)的結(jié)果（見表3）。

表3 隔震結(jié)構(gòu)最大水平位移 mm

可以從層間位移的表現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)， 當?shù)孛婕罴铀俣认喈斝?，類似地面的環(huán)境振動時，隔震層還是能體現(xiàn)出一定量的位移，但其動力特性更多體現(xiàn)彈性段特性。

4 隔震結(jié)構(gòu)動力參數(shù)測試

4.1 利用SVSA進行隔震結(jié)構(gòu)動力參數(shù)測試

SVSA 是同濟大學(xué)土木工程學(xué)院自主開發(fā)的脈動法測試技術(shù)，已經(jīng)在較多工程案例中得到應(yīng)用。 該設(shè)備由壓電式加速度傳感器、 多通道信號采集儀及SVSA 信號采集分析軟件組成[3]，如圖2 所示。

圖2 SVSA設(shè)備

4.2 整體測試方案

對于規(guī)則的多層結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)并不是很多，可以通過在頂層及各層的質(zhì)心均設(shè)置X、Y 和Z 的3 個方向加速傳感器，如圖3 中的圓形圖標所示。 通過獲得加速時程曲線數(shù)據(jù)識別獲得結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼，然后與理論計算的數(shù)據(jù)進行對比。

圖3 測點布置圖

SVSA 的采樣頻率可以高達1 000 Hz。 由于采用加速度傳感器進行采樣，因此，直接獲得的數(shù)據(jù)為樓蓋3 向的加速度時程。 程序可以直接采用直接積分方法獲得速度時程和位移時程。 在采樣過程中，由于周邊人員走動、沖擊荷載存在等因素，以及硬件本身可能存在的系統(tǒng)誤差等原因， 所獲得的時程曲線會發(fā)生 “飄” 的現(xiàn)象，可以對原始數(shù)據(jù)進行濾波，然后再進行時域或頻域的后續(xù)處理。 例如， 通過對所得的時程數(shù)據(jù)進行FFT 變化，采用半功率點法識別頻率和阻尼。

5 自動監(jiān)測和人工智能

基于類似SVSA 的采集系統(tǒng)， 可以實現(xiàn)無人管理的自動監(jiān)測。 形成海量的數(shù)據(jù)為機器學(xué)習(xí)或深入學(xué)習(xí)提供可能性。 傳統(tǒng)的建筑反應(yīng)識別，是通過經(jīng)驗判斷和簡單的數(shù)學(xué)模型進行。這是由于在設(shè)計中采用的 “糖葫蘆串” 模型或者 “魚骨架” 模型所判定的諸如頻率和振型等結(jié)構(gòu)動力特性相對較為簡單，從而利用這些模型進行地震反應(yīng)的計算結(jié)果與實際情況的實測數(shù)據(jù)有一定程度出入。 因此，試圖通過實測數(shù)據(jù)反推結(jié)構(gòu)的動力特性實現(xiàn)難度較大。

自動監(jiān)測為建筑結(jié)構(gòu)在地震或者其他激勵下的海量反應(yīng)數(shù)據(jù)提供了可能性； 這樣就可以建立數(shù)據(jù)庫， 為研究建筑結(jié)構(gòu)、地震激勵和反應(yīng)數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系提供足夠樣本。 采用深度學(xué)習(xí)建立模型可以進行訓(xùn)練，如采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）或者循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的方式。 這種方式較原先的計算機處理精度可能會有較大幅度提高。

最近應(yīng)用于自注意力機制的Transformer 模型或者圖形增強技術(shù)的Diffusion 模型， 則為研究思路提供了更多可能。Transformer 可能通過自主學(xué)習(xí)的方法， 從實測數(shù)據(jù)中提取結(jié)構(gòu)反應(yīng)的特征和歸納；Diffusion 則能加強反應(yīng)形成的圖像的可讀性。 對于海量的數(shù)據(jù)歸納和整理在一定程度可以通過構(gòu)建專門的prompt 進行，也可以通過新圖像識別技能進行判定建筑物反應(yīng)是否在預(yù)測范圍內(nèi)。 雖然上述模型的發(fā)展尚處于應(yīng)用初期，但是前景可以預(yù)期。

6 結(jié)語

本文簡述了隔震設(shè)計及其實現(xiàn)方法， 指出設(shè)置在設(shè)防烈度條件及低于設(shè)防烈度下隔震層的有效性， 提出采用脈動法識別隔震結(jié)構(gòu)的動力特性。 由于隔震設(shè)計更多是采用計算機模擬， 因此， 下一步工作應(yīng)著重研究既有隔震建筑的現(xiàn)場表現(xiàn)，尤其是地震中的反應(yīng)。新疆由于地處亞歐地震帶，8 度及以上的地震設(shè)防高烈度區(qū)較多，且有感地震頻發(fā)，適宜進行大規(guī)模的現(xiàn)場試驗。