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在近场地震中隔震结构所表现出的局限性
摘要
隔震结构主要有两个方面的功能：(1)保护结构的完整性（2）通过减少地面加速度对于结构的限制，同时在实际和经济的条件限制下保持基础的位移，来保护结构之内的东西。因此，尽管隔震结构已被证明在远场地震是成功的，它在近场地震下能否同样成功却被质疑了有十多年。质疑的主要原因是由于长周期速度脉冲而产生的过大的基础位移对结构是一个巨大的威胁。通过降低隔震结构的周期和增加结构的隔震阻尼可以降低基础的位移。然而，不幸的是这两种做法会减弱结构在地表加速度下特别是在远场地震中抗震的性能。与此同时这两种做法在近场地震中成功的程度取决于断层的距离和脉冲周期和隔震周期的比值。因此，本项研究的目的是评估不同特点的隔震结构在具有不同断层距离和不同的速度脉冲周期下所表现出的局限性。因此本文将会介绍一种评估方法，这种方法可以评估隔震结构在近场地震所表现出来的局限性的，同时这种方法也会充分考虑到地震时上部结构在近场区域的特点。这种方法采用具有不同隔震周期和特征力比值的基准隔震体系去综合分析在不同断层作用下具有不同速度脉冲周期的近场地震的数据，同时对其抗震性能进行分析。
第一章 简介
由于缺乏适当的抗震设计，大地震会导致建筑物倒塌而导致人员伤亡。当建筑物依据依靠建筑物良好的延性的经典抗震设计方法设计时，在大地震中的人员伤亡情况就会被阻止。但是这就可能意味着除了窗户或者墙体由于过度的层间位移而导致的非结构性破坏以外，一些结构构件也会因为塑性铰的形成而产生结构破坏。即使设计者试图通过增加刚度来保护建筑物的完整性，但这可能会导致楼层加速度的增加，从而导致建筑物的破坏。这些问题在诸如医院，金融中心和工业设施等承担了很多至关重要的功能但对振动十分敏感的的建筑物上更为明显，这些建筑物在日常生活中扮演了至关重要的角色。
隔震技术是一项新兴的抗震设计方法，它具有保护结构和非结构构件和建筑内部的潜力。因此隔震结构的目的就是在减少楼面加速度对目标的限制的同时保持基础的位移在实际和经济情况允许的范围内。达成这个目标是通过（1）通过使用横向弹性隔振元件来延长建筑物的固有周期（这减少了建筑物的谱加速度）（2）使上层建筑的隔震系统灵活移动（这提供了刚体运动，从而最大限度地减少层间位移比）。（3）通过隔离元件提供阻尼（这有助于驱散地震给建筑物带来的能量，同时也有效的限制基础位移）。
在过去的几十年里人们做了大量的关于隔震的研究。一个不争的事实是：一个正确设计的隔震结构可以有效的将楼层加速度和层间位移比降低到可以接受的水平，同时也不会在远场地震的情况下使结构产生过大的基础位移。隔震建筑在实际地震观测中的性能进一步支持这一结果：在1994北岭地震中，USC医院大楼的屋顶加速度和峰值位移分别降低到50%和30%。在1995的阪神地震中，西日本邮政计算机中心没有受到任何损害。
与在远场地震下取得的巨大成功不同，隔震结构在近场地震下能否取得同样的成功仍然被人们质疑。近场地震所具有的大振幅长周期的速度脉冲周期很有可能十分接近隔震结构自身的周期，甚至完全同步。Heaton等人指出当隔震结构建筑处于近场地震的情形下时，其隔震器可能会发生过度的变形。研究人员也发现了其他与之相关的问题。例如，Alhan和Gavin在概率学范畴内评估了楼板隔离系统对振动敏感设备保护的可靠性。他们指出对于十分靠近断层处的建筑物来说，这些隔震系统无法提供完全的保护。在随后的各种研究中显示，除了基础位移外，当隔震建筑自身的隔震周期与近场地震的脉冲周期接近时，隔震建筑的楼面加速度也会增加。如果在近场地震中隔震建筑的基础位移超过了地震在其周围留下的缺口，隔震建筑本身会遭受巨大的冲击。同时，Matsagar和 Jangid指出这种冲击会导致楼板加速度有一个明显的增加。类似的，Taflanidis和Jia利用一个借助于模拟的框架来配备橡胶支座的基础隔震结构来进行风险评估。他们证实了当支座产生的变形超过了由于近场特征的脉冲特性而产生的相互独立的缺口时，地震的危险性将会增大。近几年，Mazza ， Vulcano和Mazza等人指出，当近场地震的垂直分量较高时，隔震装置甚至会承受拉伸的荷载，而这种情况会使得隔震装置在地震产生位移的情况下失效。最后，Lu等人评估了滑动隔震系统的性能并且得出当隔震结构建筑的自身周期和地震的脉冲周期接近时，建筑物会产生共振现象。
对于上述问题的解决方案，研究人员通过使用高阻尼的隔震系统去减小过大的基础位移。但是这种解决方案又会导致其他的问题。Kelly通过使用两个自由度的模型说明，使用额外的阻尼器确实会有效的降低基础位移，但同时会增加层间位移和楼面加速度。随后Jangid 和Kelly发表了同样的结论：在近场地震中，尽管使用更高阻尼的隔震装置在一定程度上会减小楼面的加速度，但是进一步增加隔震阻尼会导致上层结构产生更大的楼面加速度。最近，Providakis评估了装有含铅橡皮摩擦摆支座和附加阻尼的基础隔震建筑在近场地震下的性能。
结果表明，尽管使用附加的阻尼会在一定程度上减小建筑物在近场地震下产生的基础位移和楼面加速度，但同时也会导致建筑物在远场地震中层间位移和楼面加速度的增加。Mazza 和Vulcano证实，近场地震作用下，尽管附加阻尼器在控制隔震结构的基础位移方面是必要的，但它不能保证结构对于抵抗结构破坏和非结构破坏有更好的表现。此外，在相对较短的脉冲周期的情况下，这种结构可能甚至会产生不利的影响。Alhan 和Sahin研究了在近场地震作用下隔震装置在减少具有带有弹性上层结构的隔震建筑的楼面加速度方面所扮演的角色。结果显示，更高的隔离阻尼（即特征力比）会在一定程度上减小楼面的加速度但是如果继续增加隔离阻尼，那么将导致楼面加速度的增大。
上述研究清楚的表明，无限制的增加隔离阻尼器是不可行的。而且，Hall的研究显示，使用：“最优”数量的附加阻尼器可以在减小基础位移的同时不增加楼面加速度和层间位移。随后，在一个现实的8层基准建筑的背景下，Alhan 和Gavin证实在达到一定水平的情况下，确实存在上述的“最优”数量的附加阻尼器。在另外一项分析报告中，Jangid研究了装配有含铅橡胶支座的剪切型多层建筑在近场地震作用下的动力响应。结果同样表明存在一个“最优”数量的附加阻尼器可以同时减小顶层楼面加速度和基础位移。最近，Nig.deli等人提出了一种对于确定线性隔震结构最优隔震周期和阻尼比从而获得最优抗震效果的最优寻找方法
上述研究显示，隔震结构在近场地震下，特别是当其隔震周期和近场地震的脉冲周期接近的时候，会产生较大的基础位移。同时上述研究表明尽管使用更高的阻尼器会在一定程度上减小楼面的加速度，但是当进一步增加阻尼时，楼面加速度也会根据地震特性的不同而不同程度的增加。然而量化隔震结构在不同断层距离的近场地震中时的优势和限制是必不可少的。基础位移和楼面加速度会随着隔震周期与地震脉冲周期的比，隔震阻尼（及特征力的比）和速度脉冲的振幅变化而变化。另一方面，由于实际的场地情况和经济情况的限制，对于隔震结构的要求并不能完全被满足。为了检验这一双边问题连同其所有的影响因素，在本项研究中，一个装配有隔震系统的基准建筑被用来综合分析在具有不同断层距离和不同速度脉冲周期的近场地震情况下建筑物的相关数据，被装配的隔震系统具有不同的隔震周期和特征力，同时也会确定在不同基础位移的峰值和楼面加速度的峰值情况下建筑物抗震性能的极限。因此，本文将介绍一种用于评估隔震系统设计的极限的方法。这种方法充分的考虑到了在近场区域内地震作用对上部结构的影响。
第二章 结构模型
本项研究采用的模型是一个装配有12种不同隔震系统的五层隔震基准建筑。如图一所示，结构模型的上部结构是剪切型，基础隔震系统采用了橡胶基础隔震器（高阻尼的含铅橡胶支座），这个模型可以用双线型力-变形曲线表示。本项研究不考虑摩擦式减震器的情况。研究模型的上部结构采用剪切型已经被证实是合理的。研究利用3D-BASIS软件进行隔震基准建筑的时程分析（The modeling and time history analyses），这是一款常用的隔震分析软件。
图1 剪切类隔震基准建筑模型 图2 光滑双线型迟滞模
2.1上部结构
假定剪切类的上部结构每一层的刚度都相同（图一），通过调整楼板的质量和刚度使得建筑物的基本固定周期为0.5秒。建筑的阻尼比设为0.03. 本次研究对上部结构做出如下假设：（1），梁的轴向刚度和无穷大，不考虑轴向变形和屈曲变形。（2）柱轴向不可变形。（3）每层楼连续分布的质量集中成一个质点。（4）模拟过程中只考虑弹性变形。
2.2 隔震系统
隔震系统是由以橡胶为基础的地震隔震器（高阻尼或含铅橡胶支座）组成的，其非线性行为可以由一条光滑的双直线型力-变形曲线有效的表示。通用的力 - 变形行为非线性迟滞隔离系统，其数学模型是基于Bouc-Wen迟滞模型（图二）因此，隔震系统的主要参数是屈服力（Fy），屈服位移（Dy），特性力（Q），屈服前刚度（K1）和屈服后刚度（K2）。基于屈服后刚度与刚体上层结构模式假设的隔震周期是由Nagarajaiah，Matsagar和Jangid给出的。
（1）
其中W是建筑物的总重量。屈服后刚度、屈服前刚度和特性力之间是通过以下关系表示：
（2）
为了覆盖到隔震系统参数实际应用的广泛的范围，需要考虑到四种不同的隔震周期（）和三种不同特性的力的比（Q / W = 5%，10%，15%），这会产生12种不同的隔震系统。对于每一个隔震系统都需要建立一个模型通过
方程来计算特征参数的数值。首先，屈服后刚度()通过公式一和目标隔震周期计算求得。随后屈服前刚度通过目标特征力Q计算求得。最后，对于每一个隔震系统的屈服后刚度和屈服前刚度的比值和屈服力均可以求得。表一给出了通过上述方法计算求得的非线性隔震系统的特征值参数。本项研究中的被挑选的参数的范围和屈服位移的值和文献中提供的相一致。
值得注意的是特征力Q（Q/W的比），无法直接代表有效的阻尼比，但是通过下述方程可知与Q是成正比关系的。
（3）
其中是基于基础位移D通过公式得出的有效刚度。由此可见阻尼比和同时和基础位移D是相关的
第三章 拟合的近场地震运动
3.1 脉冲模型
在过去的十年中，很多学者研究的关注点主要集中在隔震结构在近场地震下的性能。虽然存在一些历史记录记载了近场地面运动的典型特征（即记录长周期、大幅度的速度脉冲），但这些数据还不足以进行参数研究。为了响应研究人员和机构在研究特定周期和振幅的脉冲型地震的需要，一些分析模型被建立用于分析近场地震记录的合成。
上述模型在实测地震数据中有着简洁和准确这两个非常显著的特点：（1）由Makris和Chang提出的开发摆线脉冲模型。根据这个模型，近场地面运动可以表示为半周期正向或全周期正向和反向等效速度脉冲运动或多个脉冲。（2）与脉冲状地面运动的闭合形式近似由Agrawal和He开发的前向断裂方向性效应，这是由他和Agrawal开发的模型的一种特殊形式。因此，速度记录是使用衰减的正弦信号产生的。两个模型均被他们自己记录的实测近场地震运动的数据所证明。此外，这些脉冲模型在表示隔震建筑在实测脉冲型近场地震峰值加速度和峰值位移时所受到的影响被Ouml;ncuuml;-Davas等人和Gazi等人所证明。
在这项研究中，相比于由Makris和 Makris和Chang共同提出的模型， Agrawal和He提出的模型更加的简便，因此常常被作为首选。Makris和 Makris和Chang共同提出的模型具有通过改变单一的参数，例如脉冲阻尼因子，来产生不同脉冲周期数的能力。Agrawal和He提出的模型也采用了各种其他的研究但不仅仅局限于Dicleli和Buddaram（二人评估了等效线性分析程序对隔震桥梁在近场地面运动的设计的可行性），Ouml;ncuuml;和Alhan（二人研究了隔震框架在不同震级的近场地震作用下加速度性能），Wang（他研究了间隙非线性对近场地震的隔震系统性能的影响）等人的研究。
He和Agrawal提出的近场地震下的速度脉冲表达如下：
（4）
相应的加速度方程是由方程（4）得出：
] （5）
这里振幅比例因子（C），正弦分量的相位角（），衰减因子（），控制相对于时间的脉冲包络的偏差的非负整数参数（n），脉冲的起始时间（）、脉冲频率（= 2 /），和脉冲时间（）是脉冲模型参数。一旦确定以上参数该脉冲模型就可以模拟一个实际的地震。这是通过非线性最小二乘拟合的相关实际地震数据的参数向量实现的。该参数向量定义为.这个过程是在寻找实际地面加速度和模拟地面加速度之差的平方的最小值。该模型已经被证明在捕捉近场地震脉冲的运动特征方面要优于其他现有脉冲模型。并且，这个模型有一种特殊情况特别适用与对参数的研究方面，这种特殊情况可以通过忽略随时间的脉冲包络偏斜的影响得到如下表达：
(6)
通过对方程（6）进行求导得到地面加速度的表达式：
(7)
这里脉冲阻尼因
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