竖向地震作用下基底隔震结构响应分析

现代建筑结构隔震技术的发展已经有一百多年历史，国内外对水平方向地震作用的防御措施及理论研究相对比较成熟，并且在我国越来越多的法规条文和规范标准对建筑结构隔震技术的实施有相应的要求，因此隔震技术已经广泛应用到特殊要求类（两区八类建筑、加速度控制类结构等）建筑结构。隔震结构的原理就是通过隔震层将下部结构与上部结构隔离开，有效控制上部结构的地震响应，实践证明：隔震后一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右。

近几十年来，实际震害表明，竖向地震对建筑结构的破坏程度非常大，甚至在一些震害表现中超过水平地震影响。 随着研究的深入，隔震层竖向刚度较大，对于隔离竖向地震能量的输入作用不大。本文针对基底隔震结构竖向地震作用下结构响应进行研究，对比分析隔震结构和抗震结构竖向地震响应的差异及变化特点。

1 结构模型信息

本算例为基底隔震框架结构，主体结构为6层，局部7层钢筋混凝土的框架，每层层高均为3.6m，楼层总高度为25.2m，结构模型如图1所示。该结构底层柱网及隔震支座布置如图2，地震设防烈度为8度（0.2g），乙类建筑，场地类别为Ⅱ。该结构采用隔震分析软件SAUSG-PI计算，根据结构荷载大小及《建筑隔震设计标准》规定的重点设防类建筑隔震支座压应力限值，选用铅芯橡胶隔震支座LRB700，其具体参数见表1。 

图1结构模型

图2 隔震支座布置示意图

表1 隔震支座参数

2 地震动信息

该结构计算分析采用两条天然波为DARFIELD NEW ZEALAND波、Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2983波和一条人工波RH2TG045波，并根据建筑抗震规范规定，对地震波的加速度峰值进行相应调整，本算例只考虑竖向地震作用，即地震激励方向为竖向Z方向输入，分别考虑隔震结构和抗震结构（移除隔震结构中支座层及上下支墩层）在不同竖向地震波下的响应。

图3 地震动谱

3 动力分析结果

3.1 底层柱轴力

表2 结构一层柱最大轴力对比（kN）

表3 竖向地震引起结构一层柱轴力变化表（kN）

通过对该结构在各竖向地震动作用下的计算分析，得到结构一层柱（对应隔震结构中上部结构一层）的最大轴力，如表2，列举如表3所示4个典型柱在竖向地震作用下轴力变化值，相对位置见图2。可以看出，在竖向地震作用下隔震结构对比抗震结构一层柱轴力相对于重力荷载工况下一层柱轴力变化值增加了10%~40%。铅芯橡胶支座的布置并没有降低结构柱的轴压力，由于隔震层的竖向刚度远大于水平刚度，其竖向刚度接近框架柱子刚度，因此铅芯橡胶隔震支座不能隔离竖向地震能量，并且可能会放大地震影响。

3.2 竖向楼层加速度

图4 竖向楼层加速度

上图为结构竖向楼层加速度随地震动时程变化情况，字母“GZ-1”表示隔震结构一层，“FGZ-1”表示抗震结构一层，其他同理。从图4可知，结构隔震后竖向楼层加速度响应并没有减小，相对于抗震结构，竖向楼层加速度有明显的增大。随着楼层高度的增加，竖向楼层加速度会相应增大，并且由图可知隔震结构一层与抗震结构一层竖向楼层加速度差值要大于顶层结构竖向楼层加速度差值，由于抗震结构地震动直接激励一层柱底，因此抗震结构一层竖向楼层加速度更接近输入地震动加速度，而隔震结构经过隔震层放大，一层竖向楼层加速度明显增大，但是随着楼层高度的增加，隔震层对于竖向楼层加速度的放大影响趋于平稳。综上可知基底隔震结构中布置铅芯橡胶隔震支座不能降低竖向地震对结构响应的影响。

3.3 弹塑性耗能和构件性能水平

图5 结构耗能对比

图6 构件性能水平

通过图5对比隔震和抗震结构竖向地震作用下的耗能情况，可知隔震结构和抗震结构大震弹塑性耗能基本相同，隔震装置在竖向地震作用过程中的耗能占比可忽略不计，从而可知在基底隔震结构中布置铅芯橡胶支座对竖向地震影响不起作用。由图6可知隔震和抗震结构的构件性能水平基本相同，更进一步说明铅芯橡胶支座在竖向地震作用下充当结构柱，对隔离竖向地震动的影响没有效果。

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小结      

     

1.隔震后结构底层柱轴力出现不同程度的增大以及弹塑性耗能情况、构件性能水平与隔震前对比基本相同，由此可知采用铅芯橡胶支座的基础隔震结构对于水平地震具有良好的隔震效果，但是不能隔离竖向地震作用，并且有些情况下可能增大竖向地震能量的输入；

2.隔震后结构竖向楼层加速度增加比较明显，这是由于铅芯橡胶隔震支座具有较大的竖向刚度，不能有效降低竖向楼层加速度，反而会增加。竖向楼层加速度的增加会极大的引起人的恐慌，因此隔震结构设计过程中应充分考虑这一因素。