建筑物的被动抗震方式主要有:通过增强结构本身的抗震性能 (强度、刚度、延性) 来抵御地震作用, 由结构本身储存和消耗地震能量;通过在结构上安装耗能减震装置从而减轻或抑制地震作用引起的反应;通过在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置隔震层, 从而减轻地震作用对建筑物的影响。其中基础隔震是在基础与上部结构之间设置隔震层, 以减少输入上部结构的水平地震作用^[1]。而黏滞阻尼器是根据流体运动, 特别是当流体通过节流孔时会产生黏滞阻力的原理而制成的, 是一种与刚度、速度相关型阻尼器^[2]。这两种抗震方式所需的技术已经趋于成熟。

　　 目前, 对于基础隔震和黏滞阻尼器消能减震的研究也较为完善:言杰^[3]研究了隔震层位置对结构抗震性能的影响, 结果表明, 基础隔震相比于层间隔震更加经济合理, 在减震方面更有优越性;缪志伟等^[4]从能量的角度等研究了强震作用下附设黏滞阻尼器的钢筋混凝土框架结构的耗能机制与倒塌性能, 结果表明, 附设黏滞阻尼器可显著改善RC框架结构的耗能机制, 降低主体结构构件的损伤程度, 有效提高结构的抗倒塌性能。

　　 为了比较不同抗震方式的减震效果, 笔者以实际工程中的某框架结构为研究对象, 在该结构中分别布置隔震支座和黏滞阻尼器。通过调整这两种构件的布置, 使在多遇地震下采用两种减震方案的结构相对于原结构减少的位移相等, 进而分析和比较结构在罕遇地震作用下的层间位移角、楼层加速度和塑性铰分布, 为结构的减震设计提供参考。

　　 以某7层钢筋混凝土框架结构为例进行分析。该框架结构层高为3.3m, 总高度为23.1m。该工程抗震设防烈度为8度 (0.2g) , 抗震等级为二级, 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期为0.45s。1～3层柱截面尺寸为600×600, 梁截面尺寸为300×600和300×550;4～7层柱截面尺寸为500×500, 梁截面尺寸为300×500。柱混凝土强度等级为C40, 梁混凝土强度等级为C40, 梁柱纵筋均为HRB400钢筋, 箍筋采用HRB335钢筋。楼板厚度为120 mm, 采用C35混凝土。结构标准层平面布置图如图1所示。

　　 采用SAP2000软件建立有限元模型, 其中框架采用线单元, 楼板采用面单元, 并定义了荷载以及塑性铰。经过结构的模态分析可知:结构的1阶振型为Y向平动。

　　 采用时程分析法时, 为了考虑地震波的随机性, 应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线, 其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3^[5]。因此选择符合场地类别的地震波为El Centro波、Lanzhou波以及一条人工波。由于Y向刚度较X向要小很多, 因此仅考虑Y向的地震作用。

　　 隔震层设置在基础, 首层增加120mm厚钢筋混凝土楼板, 隔震层自下而上为钢筋混凝土下支墩、混凝土上支墩与顶部梁板。每根柱下布置单个隔震支座, 隔震支座的中心与上部结构柱中心对齐。结构共布置32个型号为GZP600的叠层橡胶隔震支座, 支座直径为600mm, 水平刚度为1 357kN/m。在SAP2000中采用连接单元Rubber Isolator模拟橡胶隔震器, 设置连接单元的方向U₁为线性属性, U₂, U₃为非线性属性。其中, 隔震支座的U₁, U₂, U₃方向分别对应于该结构的Z (建筑物的高度方向) , X, Y方向。经过试算, 添加了隔震支座的结构相比于原结构在多遇地震作用下总位移平均减小了50%左右。

　　 在框架结构中布置黏滞阻尼器, 形成黏滞阻尼器结构。黏滞阻尼器的恢复力模型主要有线性模型、Maxwell模型、Kelvin模型、分数导数模型等, 一般根据研究的具体情况来确定采用哪一种模型。在SAP2000中黏滞阻尼器单元用Damper进行模拟, 该单元的阻尼属性是基于Maxwell模型的^[6], 阻尼系数取为1 000kN·s/m, 刚度K=1×10⁶kN/m, 阻尼指数为0.3。经过试算调整黏滞阻尼器的布置, 使其在多遇地震作用下相对于原结构的总位移减小量与隔震结构相近, 这种布置可以充分发挥黏滞阻尼器的减震效果^[7]。综上所述, 可以得到3种不同的模型, 如图2所示。

　　 在多遇地震作用 (峰值加速度为70cm/s²) 下, 钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移角限值为1/550。在峰值加速度为70cm/s²的El Centro波、Lanzhou波和人工波的作用下, 结构的最大位移如表1所示, 加速度响应如图3所示。根据表1可知, 隔震和黏滞阻尼器结构在多遇地震作用下最大位移基本相近, 满足要求。

　　 由图3可以明显看出, 在多遇地震作用下隔震结构相对于原结构的加速度响应的减少量是非常可观的, 特别是在El Centro波的作用下, 隔震结构的最大加速度仅为原结构的26%, 并且各层的加速度值也都相差不大, 这是因为隔震层吸收了大量的地震能量。而相对于原结构, 黏滞阻尼器结构楼层加速度的减少量没有隔震结构那么明显。黏滞阻尼器结构在Lanzhou波和人工波作用下各层的加速度的减小并不明显, 因此隔震支座更易控制结构加速度响应。

　　 表2给出了多遇地震作用下各结构的最大剪力、最大加速度及其所在楼层。可以看出:所有情况下加速度的最大值均是出现在了顶层, 原结构最大加速度最大, 隔震结构最小;隔震结构和黏滞阻尼器结构可以明显地减小结构的剪力, 且隔震结构更佳, 由于隔震结构有效地控制了加速度, 同时使基底的剪力减小, 仅为原结构的30%～50%。

　　 在罕遇地震作用 (峰值加速度为400cm/s²) 下, 钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移角限值为1/50。在峰值加速度为400cm/s²的El Centro波、Lanzhou波和人工波的作用下, 结构的层间位移角如图4所示, 加速度响应如图5所示。

　　 由图4可以看出, 在罕遇地震作用下, 隔震结构和黏滞阻尼器结构都可以有效减小结构产生的位移, 其中隔震结构对位移的控制作用尤为明显。

　　 表3对比了各结构在罕遇地震作用下的最大位移响应。在峰值加速度为400cm/s²的El Centro波作用下, 原结构的最大层间位移角为1/85, 接近于层间位移角限值1/50, 而采用了隔震或黏滞阻尼器结构, 其层间位移角过大的情况得以改善:隔震结构的总位移仅为原结构的20%～35%, 黏滞阻尼器结构的总位移为原结构的75%左右, 隔震结构的减震效果要远好于黏滞阻尼器结构。隔震结构最大层间位移角所在楼层依然基本位于1层, 与多遇地震下类似;黏滞阻尼器结构最大层间位移角所在楼层由原来的2层转移到4层, 即转移到框架柱变截面的薄弱层, 说明罕遇地震作用下结构的薄弱层变形更加明显。

　　 原结构在峰值加速度为400cm/s²的Lanzhou波作用下, 其层间位移角在2～4层都比较大, 而这几层位于建筑物刚度突变的位置, 因此应注重对建筑物刚度突变处的保护。隔震结构在罕遇地震下的加速度相应依然较小且变化比较稳定, 且变化趋势与多遇地震时也相近。黏滞阻尼器结构的加速度响应虽较原结构有所减小, 但在某些楼层产生的影响相对较小。表4对比了罕遇地震下各结构的加速度响应。在罕遇地震下, 结构最大加速度均出现在顶层。隔震结构的最大加速度要远小于原结构和黏滞阻尼器结构的最大加速度, 隔震结构仅为黏滞阻尼器结构的1/3。因此, 隔震结构所设置的隔震层在减轻上部结构振动方面效果显著, 同时也使底层框架柱的剪力减小了65%左右, 保护了结构的主要构件。

　　 图6为塑性铰的本构关系。A点为原点, B点为塑性铰的屈服点, C点为达到塑性铰的极限承载力的点, D点为塑性铰残余强度, E点表示塑性铰失效。在BC段还有三个点IO (直接使用) 、LS (生命安全) 、CP (防止倒塌) , 这三个点代表塑性铰的三个能力水平。

　　 图6 塑性铰本构关系

　　 本文中框架柱采用PMM塑性铰, 框架梁采用M3塑性铰^[8], 分别定义在柱端和梁端。由于Y向刚度较X向低, 所以荷载工况选择重力荷载和Y向地震作用。

　　 图7为原结构在罕遇地震 (El Centro波) 作用下塑性铰的发展过程。底层梁端首先屈服出现塑性铰;随着地震作用的持续, 塑性铰向上部的框架梁端蔓延, 直到6层的梁端出现塑性铰后 (图7 (a) ) , 底层柱开始出现塑性铰;随着地震作用继续进行, 部分底层的框架梁端塑性铰达到承载能力极限, 即将退出工作, 结构将处于有倒塌危险中 (图7 (b) ) 。

　　 图7 原结构塑性铰的分布

　　 图8为隔震结构在罕遇地震 (El Centro波) 作用下塑性铰发展过程。底层中间跨的梁端最先出现塑性铰, 随着地震作用的持续, 底层的边跨梁和2层的中间跨的框架梁也出现了塑性铰 (图8 (a) ) , 最终1～5层的梁端全部都出现了塑性铰, 柱没有出现塑性铰 (图8 (b) ) 。隔震结构与原结构相比, 塑性铰的出现较晚, 且框架柱最终没有出现塑性铰, 满足“强柱弱梁”的设计原则。采用基础隔震有效减少了地震时传入上部结构的能量, 从而使上部结构的结构构件在地震时也能很好的工作。

　　 图8 隔震结构塑性铰的分布

　　 图9为黏滞阻尼器结构在罕遇地震 (El Centro波) 作用下塑性铰发展过程。1～4层中跨和2层边跨的框架梁最先出现塑性铰 (图9 (a) ) , 随后塑性铰向上部的框架梁蔓延, 最终底层柱出现塑性铰, 同时3层的框架梁达到承载能力极限状态 (图9 (b) ) , 即将破坏。黏滞阻尼器结构与原结构相比, 框架梁的塑性铰主要出现在4层以下, 说明黏滞阻尼器消耗了部分地震能量, 从而减少了结构构件通过变形消耗的能量;同时底层柱塑性铰的数量也明显少于原结构, 保证了框架结构柱的安全。与黏滞阻尼器结构相比, 隔震结构在罕遇地震作用下的减震效果更佳:隔震结构的框架柱没有出现塑性铰, 且框架梁端出现的塑性铰虽然屈服但没有达到承载能力极限状态。

　　 滞回曲线的形状和面积反映的是耗能能力, 滞回环越丰满, 面积越大, 耗能能力越强。经过分析, 在罕遇地震 (El Centro波) 作用下, 隔震支座的滞回曲线如图10所示。由图10可知, 在罕遇地震作用下结构基础的隔震支座滞回曲线饱满, 能够很好地消耗地震能量, 从而达到明显的减震效果。

　　 图11为1, 4, 7层黏滞阻尼器在罕遇地震 (El Centro波) 作用下的滞回曲线。从图中可以看出, 黏滞阻尼器滞回环饱满, 耗能性能良好。其中, 在结构1层和4层的黏滞阻尼器恢复力和位移都较大, 而结构7层的黏滞阻尼器恢复力和位移较小, 说明在1～4层的黏滞阻尼器耗能较多, 而越往结构顶层耗能越少。

　　 图11 罕遇地震作用下黏滞阻尼器滞回曲线

　　 (1) 在多遇地震作用下, 隔震结构可以有效减小结构的加速度响应, 黏滞阻尼器只能一定程度上改善原结构的加速度响应。

　　 (2) 在罕遇地震作用下, 隔震结构和黏滞阻尼器结构均可有效减小结构在地震作用下的响应, 但采用基础隔震的结构在楼层位移、楼层加速度以及塑性铰的产生与发展方面, 都要明显好于设置黏滞阻尼器的结构。

　　 (3) 在罕遇地震作用下, 采用基础隔震的结构的隔震支座耗能能力良好, 可以减少传入上部结构的能量, 从而使结构构件在地震中不发生严重破坏;对于设置黏滞阻尼器的结构, 黏滞阻尼器在底层和在中间层耗能能力良好, 消耗了传到各层的能量, 减轻了梁柱塑性铰的产生与发展, 保护了结构构件。

　　 (4) 在结构设计中要限制建筑物的加速度响应时, 建议采用基础隔震来进行控制;在结构设计中要限制建筑物的位移响应时, 选用基础隔震或黏滞阻尼器减震均可对其进行控制, 可根据建筑物的结构形式、安全等级、施工技术、经济效益等方面综合考虑进行选择。