1、科技与创新Science and Technology&Innovation1382023 年 第 04 期文章编号：2095-6835（2023）04-0138-03高层建筑隔震性能分析研究李 婧，兰文改（华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）摘要：以某栋 12 层框架结构教学楼为研究对象，利用 SAP2000 有限元软件建立分析模型，分别在结构基础顶部和四层柱顶设置隔震层，建立非隔震模型、基础隔震模型和层间隔震模型，通过对比 3 种结构的自振周期、层间剪力和层间位移，得出隔震技术能够有效地增大结构周期，降低结构层间剪力，减少结构的层间位移，从而提升框架结构的抗震性能。在
2、研究案例中，基础隔震的抗震性能要优于层间隔震的抗震性能。关键词：框架结构；基础隔震；层间隔震；抗震性能中图分类号：TU351.1文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.04.041近年来，随着工程抗震的发展，传统抗震方法通过对结构本身采取加固措施所能达到的效果变得越来越低。由于传统抗震方法的局限性，结构振动控制方法应运而生。其中，建筑隔震技术通过在建筑结构某一层布置隔震支座的方式，将建筑的上部结构与基础分离，减少甚至避免地震能量从底部传输到上部结构1，该技术被越来越多地运用在实际工程中。隔震技术通过“以柔克刚”的方式进行抗震，以延长结构的自振周期，增大结构的阻尼，减
3、少地震对上部结构的动力效应2。隔震层位置也从最初的仅能设置在结构与基础之间发展到了可以布置在基础之上的某一层。层间隔震的出现使隔震层的布置位置变得更加灵活，为工程抗震技术提供了更多的可能性。2021年，建筑隔震设计标准3的颁布和实施也使得隔震技术更加完善和成熟，在一定程度上也会推动隔震技术的发展及应用。1工程概况与模型建立本文以某 12 层教学楼为例进行分析，教学楼采用钢筋混凝土框架结构，建筑总高度 47.4 m，地上 12 层，首层高度 4.5 m，其他层高度 3.6 m，无地下室，总长度 32.4 m，宽度 15.3 m。该建筑抗震设防烈度 7 度，乙类建筑，设计分组为第二组，地震加速度峰
4、值 0.1g，特征周期 0.45 s，拟采用隔震技术，结构布置图如图 1所示。利用有限元软件 SAP2000 建立框架结构体系有限元模型，并进行受力分析，在 SAP2000 软件中能够精准模拟出橡胶隔震支座的性能。在建立模型时，框架梁、柱采用框架单元，楼板采用面单元，模拟橡胶隔震支座采用橡胶隔震单元，定义连接类型为Rubber Isolator，通过 SAP2000 建立的整体模型如图2 所示。图 1结构布置图（单位：mm）图 2整体模型图Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期1392隔震层布置建筑隔震设计标准（以下简称隔标）现已
5、正式发布，对于隔震结构设计，建筑隔震设计标准与建筑抗震设计规范4（以下简称抗规）的区别主要在于，隔标中将包含隔震层的“一体化直接设计法”代替“分部设计”。在理论依据方面，隔标以复振型分解和 CCQC 振型组合规则为核心理论5。在设计方法的选取时，何世茂6认为，非“两区八类”建筑，选用隔标与抗规均可，本文选取的建筑并非规范中的“两区八类”建筑，在隔震层布置时选择抗规为设计依据。本工程无地下室，所以基础隔震在0.000 以下设置隔震层，层间隔震的位置设置在 4 层柱顶，隔震层层高 1.6 m。隔震层采用天然橡胶支座与铅芯橡胶支座组合布置，选用了不同规格的橡胶支座共计 40 个，其中，天然橡胶支座
6、16 个，铅芯橡胶支座 34 个。角柱处设置规格为 LRB700 的铅芯橡胶支座，结构外围设置规格为 LRB600 的铅芯橡胶支座，结构内部设置规格为 LNR600 的天然橡胶支座。基础隔震结构为方案1，层间隔震结构为方案 2。隔震层的布置如图 3 所示。图 3隔震支座分布图（单位：mm）3模态分析模态分析是分析结构固有动力特征的一种近似方法，是时程分析的基础，在 SAP2000 中提供了特征向量法和 Ritz 向量法 2 种求解方法，本文选取 Ritz 向量法对原结构以及方案 1 和方案 2 进行模态分析。通过模态分析，得出结构的前 12 阶自振周期如表1 所示。表 1自振周期振型阶数123
7、456789101112非隔震2.051.771.420.680.600.490.380.340.290.260.200.19基础隔震3.573.263.080.940.820.690.480.430.350.310.250.23层间隔震2.612.592.260.650.480.410.360.290.220.190.150.14从表 1 中可以看到，方案 1 与方案 2 都能延长结构的自振周期，但方案 2 的效果不如方案 1 显著。在第一阶振型下，非隔震结构的自振周期为 2.05 s，基础隔震结构的自振周期为 3.57 s，层间隔震的自振周期为 2.61 s，增设了隔震支座的结构尽管都显著
8、增加了结构的自振周期，但隔震层位置的不同会影响其自振周期，基础隔震结构的自振周期较原结构延长了 74%，而层间隔震结构的自振周期较原结构延长了 27%。4时程分析4.1地震波选取根据规范的相关要求，在选取地震波时，需要选取实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录不少于 2/3，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型反应分解谱计算结果的60%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型反应分解谱计算结果的 80%。根据规范的相关要求，本结构选用 3 条地震波，分别为 TRI 波、LWD 波的 2 条天然波和依据规范合成的 1 条人工波“REN”。将选取的 3 条时程曲
9、线与反应谱曲线作用下的结构底部剪力提取计算，结果汇总情况如表 2 所示，经过计算，3 条地震波是符合规范要求的。4.2层间剪力对比分析将原结构模型与方案 1、方案 2 在所选取的 3 条地震波的作用下进行非线性动力时程分析，得到结构层间剪力的对比，3 个模型在 X 向地震作用下的层间剪力情况如图 4 所示。表 2验算地震波工况Y 向X 向基底剪力/kN时程/反应谱/（%）基底剪力/kN时程/反应谱/（%）反应谱法11 686.997/16 075.579/TRI 波18 227.15515532 645.190 5203LWD 波9 962.976859 738.127 561REN 波16
10、769.788 514320 897.622 5129平均14 986.639 8312821 093.646 8131科技与创新Science and Technology&Innovation1402023 年 第 04 期（a）LWD 波作用下层间剪力（b）TRI 波作用下层间剪力（c）REN 波作用下层间剪力图 4X 向地震作用下层间剪力由以上图可以看出，在地震作用下，普通框架结构的层间剪力会比增设隔震支座的结构大得多，说明隔震技术能够有效地减少上部结构的动力响应。基础隔震结构层间剪力大幅降低，层间隔震结构较基础隔震结构层间剪力略大一些。从曲线变化趋势看，减震效果最明显的是底层，随着楼
11、层的增加，层间剪力减少的趋势变小。4.3层间位移对比分析层间位移最大值是衡量结构使用功能的重要参数指标，能够反映结构变形程度。在软件中利用截面切割法获取结构在 3 条地震波下的层间位移最大值，分别如表 3、表 4、表 5 所示。表 3LWD 波作用下不同结构层间位移最大值（单位：mm）隔震形式楼层123456789101112非隔震10.1610.1910.2610.1610.129.809.378.8710.258.606.353.73基础隔震25.986.054.263.923.793.573.292.983.262.651.191.16层间隔震3.170.901.782.2915.995
12、.023.713.494.133.452.591.62表 4TRI 波作用下不同结构层间位移最大值（单位：mm）隔震形式楼层123456789101112非隔震36.0636.0835.2633.3731.6128.7725.5422.1823.4418.3612.927.54基础隔震54.038.918.677.807.607.296.796.176.925.634.062.39层间隔震1.820.510.981.3534.518.887.637.327.866.525.542.91表 5REN 波作用下不同结构层间位移最大值（单位：mm）隔震形式楼层123456789101112非隔震23
13、.1023.4223.2522.3621.7120.3018.5716.6718.2114.6510.536.18基础隔震46.538.628.477.627.116.525.885.235.624.513.251.96层间隔震2.280.510.981.3534.519.548.688.108.577.825.542.91由表可知，隔震结构能够降低地震对上部结构的动力响应，层间位移最大值发生在隔震层，隔震层以上层间位移值较小，接近于整体平动，说明结构在隔震层吸收了大量地震能量，有效地减少了地震作用对上部结构的影响。基础隔震结构与层间隔震结构相比，（下转第 143 页）剪力/kN剪力/kN剪力
14、/kNScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期143及时更换损坏的轴承。定期检查和测试电机轴承绝缘件，防止电机轴承绝缘件受潮或老化。定期检查和测试电机的润滑轴承，确保电机的润滑油正确，并及时跟踪和更换有润滑问题的电机轴承4。同时，应及时调整高压水泵动力单元电联轴器的位置。日常维护对于减少和有效避免电机故障是非常重要的，其中重要的环节之一是定期加强检查，及时检查，杜绝任何可能造成事故的异常现象。3.5拟定健全检修制度对于设备安装的各个环节，如质量验收、质量控制、早期安装等，都要进行科学合理的约束，使机电设备运行更加安全。优化养护制度，
15、针对规模大的水利泵站，设备档案管理人员可设置设备养护表，将整个施工期间使用的设备及其具体情况录入档案，定期对设备进行养护和检查，万一出现故障，待维修工作完成后，还应将故障详细记录在维修表中，便于后期维修设备。4结束语总而言之，在大型水利泵站机电设备工作过程中，为有效确保这些机电设备正常运行，必须严格遵守国家规范安装标准、行业技术要求，严格控制每个点的安装操作工序，注重各个安装流程的日常安装操作细节，同时，还要充分结合这些机电设备日常安装过程中的常见问题，采取有效措施，做好机电设备的日常检修保养工作，只有这样才能够有效提高水利泵站机电设备正常运行的安全性、稳定性。参考文献：1汪升.大型水利泵站机
16、电设备安装与检修研究J.电子元器件与信息技术，2020，4（3）：124-125.2闫蕴菁，杨子集.浅谈大型水利泵站机电设备安装中的问题及对策 J.华东科技（综合），2020（4）：1.3范嘉维.关于水利泵站设备故障分析与管理维护要点探讨J.四川水泥，2020（1）：170.4熊乃红.浅谈大型水利泵站机电设备安装和检修的技术措施J.科技与创新，2017（24）：52-53.作者简介：魏临霞（1974），女，甘肃景泰人，本科，工程师，主要从事农业水利泵站管理与技术研究工作。（编辑：严丽琴）（上接第 140 页）基础隔震结构隔震层位移值突变幅度更大，且上部结构的位移较小，说明基础隔震能够对地震作用向隔震层以上结构的传递起到有效抑制的作用。5结语本文首先利用 SAP2000 软件建立框架结构分析模型，并依据相关文献隔震结构的设计方法进行合理选取，结合相关规范进行隔震层的设计与布置。采用模态分析、反应谱分析和时程分析的方法对结构的周期和剪力进行分析，得出结论：无论是层间隔震还是基础隔震都会起到延长结构自振周期和降低结构层间剪力的效果，但是本结构中基础隔震的减震效果明显大于层间隔震，原因是隔震层