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摘 要

1。简介

由于城市的快速发展以及美国和世界各地的密集内核，全世界高层建筑的建设正以指数比率发展。不仅是超高层建筑—100层或更多层—继续显著发展，20-80层的高楼也有了明显的提高（CTBUH 2011）。这一趋势在地震活动性高的地区已经放缓，但许多高层建筑正计划建在易在地震中受灾的地区。目前，200座高于120m（394ft）的建筑已经准备动工，其中，21座建立在高烈度地区：7座建于洛杉矶，8座位于旧金山，6座建在西雅图。（CTBUH 2011）

大多高烈度地区的高层建筑现以钢筋混凝土心墙作为主要的抗侧力体系参与设计之中。目前，钢筋混凝土心墙设计的目的在于优化位于墙面基层的塑性铰的非线性变化（La 2005，北加州结构工程师协会2007、TBI 2010）。 然而数值研究表明，根据整体高度，经受过强烈地面震动的高大的悬臂墙建筑会经历高加速度与受力需求特别是高阶阵型对于结构响应的贡献（Moehle贡献2007和2009，该版，该等人。2009）。对于设计用来提高基面上塑胶铰链的非弹性响应的墙面来说，研究表明，较大的弯矩需要优化其半高度面（该和

2009版，该等人。2009）。如果这些区域必须保持弹性，则需要大量的纵向加固。另一方面，如果可塑性可以根据墙体高度使任何地方得到发展，那么就需要更多的专业详细的细节使得这些地区能够适应非弹性变形。在这项调查中，隔震技术的效果被用来研究减少随着这类建筑墙体高度的变化而产生的加速，受力以及非弹性变化，以至于能够减缓余震的破坏力并且提高抗震性能。

地震隔震技术是提高结构抗震性能的一种行之有效的方法（1999）。在过去的40年中，数以百计的地震隔离应用已经应用。传统的地震隔离被认为是在相对短小刚性的结构中，通过延伸基本周期，从而减缓发展加速度以及受力方面卓有成效。在高层建筑中，地震隔离的主要目标是不增加已有的基础周期，而是当其他建筑被设计为保持自身弹性时，通过控制少部分稳固地区的响应来减少受力与加速，同时减缓余震的结构性破坏。几项基础隔震技术已经应用于高层建筑中，主要用于日本。（Komuro 2005，卡尼2009）。这些建筑在基层有单一的隔震面已被安装在被报道的建筑上层。（该2004，常记等人。2009）在日本，根据记录，三分之一的隔震建筑高于40m，其中最高的达到了50层之高。

本研究探讨了隔震对高层钢筋混凝土核心筒体结构性能的影响，并与那些根据当下建筑规章而设计的楼房的性能进行比较。三个隔震设计的有效性在地震隔离层的数量（1或2）以及隔离层位置（基底和/或中间高度）方面都有区别，而这些区别也被纳入研究。

2. 建筑与隔振设计

2.1 建筑设计

五座建筑被纳入研究，其中两个固定基地，其余三座采用了隔震技术。图1显示了建筑的一般平面图视图。钢筋混凝土核心筒体提供了固定基层建筑中的所有侧向力。表1列出了建筑物的主要特点，包括主建筑和核心墙的几何特性，楼板高度，每层地震重量，每层楼ΔP轴向荷载，在墙上的作用力以及对墙座的轴压比。轴向载荷比是基于一个特定的混凝土抗压强度 = 50 MPa (8 ksi).

重力

柱

隔离器

核心墙

图1.研究20层钢筋混凝土核心筒结构的平面图。第一个被纳入研究的固定基座设计称为单铰（SPH），旨在形成一个单一的弯曲塑性铰遍布于两层的底部 [图2 ]。塑性铰区的配筋率等于ρB = 0.7%。塑性铰区域上方的墙体以较高的纵向配筋率ρE = 3%为模型，足以保证这部分墙体的弹性响应。SPH的设计遵从了EC8代码的方法（2004），它主张可塑性应当被限制在墙基处的单一塑性铰区中，同时保持在所有其他为保持弹性而设计的区域内。使用所提供的钢筋与轴向载荷，利用弯曲曲率分析方法可计算出墙基处的预期抗折强度_MyB 这个数值是外置刚体屈服力矩的1.13倍。预期的抗弯强度Myb，和相应的曲率，φY，B，列于表1。

表1。研究建筑的主要特点。

在第二个固定地基的建筑中，考虑扩展可塑性，即塑性可以沿着墙体高度在任何区域发展。钢筋以纵向钢筋比ρL = 0.7%，0.6%，0.5%的速率分别在基部，中部，顶部的墙体三分之一处减少了墙体高度的三分之二。。

SPH

ρ_E

塑性弯曲

铰链 _ρb

固定基地建筑根据ASCE 7-05（2006）抗震规定而设计。七个地面运动的平均值，在下面的3.2节有描述，响应修正系数= 5 被用来和振型分解反应谱分析方法共同参与设计（MRSA）。对于固定基地的建筑物来说，下面所描述的，弯矩，剪力和轴向力超过了设计要求。

图2。五个建筑设计的示意图，包括：隔离层的位置和沿墙高度的纵向配筋率。

三座隔震建筑的核心筒墙体与EP建筑墙细节处理相同。这些建筑物在基层，中层，或者两者兼具，才用了1到2个隔震平面

。建筑高度H，被定义为 高出地面的高度。对于一座在基层使用隔离平面的独立建筑来说，基地被定义为地表下的水平面基层。在基层设有单独隔离平面的系统被称为BSIB。在中层设有隔离平面的系统称为MSIB。在基层与中层同时设有两个隔离平面的系统称为DIB.

在中层隔离平面使用横梁腹板是为了将隔振器分装在整个建筑平面图上并且在轴承处将应力需求减至最小。这些横梁被安装在隔振器下方楼层的最顶端，以便于充分利用该楼层，包括隔振器之上以及上层楼层水泥板之下的区域。

隔膜

梁

图3。建筑基础与中高隔离等级的标高。

2.2地震隔振器设计

低阻尼层合橡胶轴承用于所有的隔震建筑。隔震建筑的主要目的是减少加速度和受力需求，并且得到墙体紧密的弹性响应。这可以通过控制在隔离平面的目标位移上通过隔离平面传递的力来实现。为了达到这个目标峰值位移，轴承的轴向和剪切力的稳定性应当被保证。（Kelly和takhirov 2006）。 目标峰值剪切应变为200%，最大拉伸应变为1%。峰值垂直载荷对临界屈曲载荷的峰值允许率为0.3（1999）。对于BSIB来说，剪切力峰值为0.15W 0.75 m（30）目标隔离器位移。迭代，包括初步的数值时程分析，为达到该研究设计描述的状态而进行。

BISB的基础隔震建筑平面与DIB建筑与DIB中层隔离平面和MSIB建筑相同。 中层面至基面隔离平面的刚度比决定了DIB与BSIB的不同。为了使该系统效率更高，在隔振器没有超过特定变形水平时，应用中层隔离平面的刚度来减少通过其传输的力。通过初步分析，选用的中高隔振平面刚度为0.7。表2总结了隔离器的主要特点。十六个隔振器同时使用在基面与中层隔震平面。用在基础和中等高度的隔离架隔振器的直径分别为1524毫米（60英寸）和1270毫米（50英寸）。对于所有其他设计参数进行标识，隔离一致的。

表2。地震隔离器的主要特点。

2.3建筑物的数值模拟

地震工程模拟的开放系统（程序）软件被用于数值模拟研究。光纤截面的非线性梁柱因素被用于模拟钢筋混凝土墙。使用初始混凝土弹性模量= 33.8 GPa（4900 ksi）。线性垂直，水平和旋转的零长度弹簧被用来模拟对应方向上每个隔振器的强制位移。 垂直力、剪切力和弯矩作用（Kelly和takhirov 2004，Ryan等人。2005）未建模。在张拉上，隔振器的垂直刚度模拟比压缩时小5倍。（藤田1991，加藤2003）然而，在这项数值分析中，隔离器没有张拉。假设隔振器剪切模量G = 483 kPa（70 PSI）。在每一个隔振面“刚性”梁柱单元被用来模拟隔膜梁[见图4 ]。忽略了重力柱的轴向效应。并建立一垂直质量等于横向质量一半的模型。在第一和第六模式使用2%阻尼瑞利阻尼.

3.2 地运动

帝王谷（1979），洛马普列塔（1989），兰德斯（1992），北岭（1994），神户（1995）和集集地震（1999）的七大强脉冲型近断层地震动被纳入了这次研究。图2%给出了5个阻尼的谱加速度和相对位移谱。地震动有着不同的卓越频率。

图4。显示集总质量，隔膜梁，隔振弹簧的数值模型的高度.

3。数值分析结果

3.1模态分析

五座建筑的模态周期见表3。隔震建筑横向振动模式的周期拉长至少120%。与EP相比，BSIB,MSIB,DIB的基本垂直周期分别是8%，11%，和18%。

表3. 第一三侧 (T_L,i) 和第一垂直 (T_V,1) 模型的建筑物的自振周期.

(a)

(b)

图5。总加速度和相对位移

光谱的7个考虑地震动，2%个阻尼。

3.3 平均结果比较

由平均值计算包络反应，七项强地面运动如图六所示为6项反应量。以下六个响应量被纳入研究：弯矩M由预期的抗弯强度Myb规范，曲率延性µφ定义为曲率除以φYb，剪切力V由总相应的建筑重量Wt规划，总加速度A由平均峰值加速度规划、相对位移D、层间位移。

BSIB，与固定基层建筑相比，显著降低加速度，力，层间位移和弹塑性弯曲。与EP的建筑相比，BSIB减少了中高层弯矩，基底剪力，平均楼面加速度沿建筑物的高度，与平均层间位移。根据建筑物高度，以上数据分别减少了28%，74%，65%，和34%。 SPH的建筑具有最大的中等高度的弯曲力矩，与它相比，由于建筑上方底部塑性铰的“弹性”设计和第二响应模型的重大贡献，BSIB中高度弯矩减少了56%。

BSIB的平均基础曲率延性需求µφ等于4.1，这比SPH和EP的建筑物的相应值小60%与64%。BSIB基地的平均曲率延性被µφ= 15.3 lcn275地面运动记录的高价值严重影响。对于其余六项地震动，BSIB平均曲率延性，省略lcn275，µφ= 2.2。在三层楼层底部之上，与平均µφ= 3.2，达到总高度45%的EP建筑相比，BSIB保持了弹性。

与BSIB相比，DIB降低了基底弯矩和平均层间位移，达到了整体高度的19%和36%。DIB建筑保持了弹性。平均曲率延性近似µφ= 1.9。

类似的平均屋顶位移可用于计算所有建筑物[见图6]，因为大多数的地面运动的光谱位移的时间大于2.5秒并且没有明显的变化。图5所示。

该MSIB开发力和加速度，使其接近固定基地建筑。同时在基地高度发展非弹性反应，使其高于相应的固定基础建筑响应。 这是因为中层结构中的隔离平面控制了可以通过其传播的力，同时在平面下发展的力被弯曲墙面的非弹性响应约束。MSIB的弯矩和剪切力与EP建筑的相似。上述结果表明MSIB设计的特性效率低下。

Bending Moment Curvature Ductility

Shear Force Total Acceleration

Relative Displacement Interstory Drift

图6。基于七强近断层记录的平均响应包络分析。

在表4和5中总结了轴承的响应量。轴承的平均位移不超过其直径的50%，而峰值等于BSIB直径的0.63倍，同时也是DIB中层直径的0.57倍。这些峰值位移对应的剪应变为147%和111%。7 Mpa与（1.12 ksi）和9.6兆帕（1.53 ksi）的压力峰值分别联系上了了BSIB基层平面隔振器与DIB建筑的中高度平面。达到了基地中的隔离器面理在DIB中高度平面，分别对应于峰值轴向负荷比PCR = 0.27和0.23。

3.4 Response to Individual Ground Motions

7次地震动的包络反应由表7所示。将BSIB与固定基层建筑进行比较时，可以得出剪力和弯矩包络线的变异较少。根据建筑高度，BSIB 的弯矩包络有近线性轮廓

根据lcn275记录，该记录具有最大的光谱位移，其需要大于3.6S的周期。BISB和DIB的基地响应高度无弹性。为了适应这些高要求，纵筋必须沿墙体高度增长以保持弹性。对隔震建筑来说，lcn275记录的相对位移与其他记录相比更高。这一记录有明显较大的光谱位移，大于4.5秒，这是一隔震建筑的基础周期范围。

SPH EP BSIB MSIB DIB

图7。 五座研究建筑地震动的响应包络.

4. 结论

本课题对20层的钢筋混凝土核心墙建筑的地震隔震效果进行了数值模拟研究。将三座隔震建筑的反应与两座固定基地建筑反应进行了对比。隔震技术的设计上，隔震平面的数量与位置都有不同。这些建筑都有遭受七种强脉冲型近断层地面运动。则可得出以下结论：

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