何斌

（喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844008）

1 引言

隔震技術在地震設防高烈度區(qū)的推廣應用， 是伴隨相關技術科研發(fā)展、技術工藝改進和政策法規(guī)完善而進行的。 《新疆維吾爾自治區(qū)住建廳關于自治區(qū)減隔震技術應用的通知》（新疆建抗［2014］第2 號）和配套的《新疆維吾爾自治區(qū)建筑隔震技術應用導則》規(guī)定了隔震設計的基本要求，提供了設計的基本路線指導。2021 年版的《建設工程抗震管理條例》（國務院第744 號令）進一步規(guī)范減隔震技術使用范圍，將進一步促使該技術在新疆的使用。

本文就隔震結構設計的既有技術路線進行簡要總結，采用SAP2000 軟件進行模擬驗證。 對隔震結構有效性檢驗技術通常采用振動臺試驗方法， 并提出采用脈動法作為補充檢驗方法及相應方案。

2 隔震結構設計

2.1 隔震設計流程

隔震設計的基本目標是上部結構可以達到抗震設防烈度降低1 度的設計要求[1]。 在此目標下首先進行上部常規(guī)結構的設計，確定其動力特性和結構內力；其次，進行隔震層設計，包括隔震支座的布置和型號選擇，明確隔震層的動力參數(shù)設置；再次，進行包含上部結構和隔震結構的整體抗震計算，通常采用時程分析方式，提取結構反應，以明確是否達到隔震設計的目的。 同時提供上部結構設計所需要的數(shù)據(jù)；最后，進行隔震支座的驗算和各種構造設計。

2.2 隔震設計軟件之比較

我國結構設計在1990 年代已經(jīng)步入電算時代，本文建議采用SAP2000 軟件進行數(shù)值計算；該軟件是CSI 公司推出的較為成熟的行業(yè)設計軟件[2]，在V20 版本中提供較多隔震支座模 型 模 擬 單 元， 如Plastic （Wen）、Rubber Isolator、Friction isolator 和High Damping Rubber Isolator 等。 常規(guī)設計和分析中使用Rubber Isolator 來模擬LRB。

3 隔震層設置對結構動力反應的影響

3.1 高烈度區(qū)案例分析

由于日照和風沙等自然環(huán)境限制， 新疆的學?；蜥t(yī)院建筑宜采用內廊式。 取某5 層教學樓的一榀典型框架作為計算對象，計算模型如圖1 所示。 通過比較非隔震結構與隔震結構在8 度區(qū)的時程分析結構， 其中， 隔震支座采用3 種不同參數(shù)，確定隔震層設置對結構動力反應的影響。 案例的基本參數(shù)如表1 所示，采用SAP2000V20 建模。

圖1 教學樓典型框架計算模型

取時程曲線的位移作為衡量結構時程反應的結果， 見表2。 其中，F(xiàn)1~F5和WF分別表示各層和屋面層左側節(jié)點的水平位移絕對最大值。

表2 常規(guī)結構與隔震結構最大水平位移比較 mm

通過對以上的常規(guī)結構和隔震結構進行比較， 可以得出以下結論：（1）采用隔震結構，上部結構的層間位移差呈現(xiàn)出減少狀態(tài)，即內力將會減少；（2）多遇地震和罕遇地震比較，內力減少幅度將會增加。

因此，需要根據(jù)不同的隔震要求，進行隔震層的支座設計。

3.2 低于設防烈度地震下結構的反應

除了對應抗震設防烈度進行時程分析外， 還可以通過將其峰值加速度進行折減， 以模擬更低烈度下的地震影響或環(huán)境振動影響。 仍然采用3.1 節(jié)案例采用地震時程函數(shù)Elcentro進行分析（工況一：30 gal；工況二：10gal；工況三：1gal），主要考慮地震時程分析的最大加速度。

取各層左側節(jié)點的水平位移絕對最大值作為衡量結構時程反應的結果（見表3）。

表3 隔震結構最大水平位移 mm

可以從層間位移的表現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)， 當?shù)孛婕罴铀俣认喈斝。愃频孛娴沫h(huán)境振動時，隔震層還是能體現(xiàn)出一定量的位移，但其動力特性更多體現(xiàn)彈性段特性。

4 隔震結構動力參數(shù)測試

4.1 利用SVSA進行隔震結構動力參數(shù)測試

SVSA 是同濟大學土木工程學院自主開發(fā)的脈動法測試技術，已經(jīng)在較多工程案例中得到應用。 該設備由壓電式加速度傳感器、 多通道信號采集儀及SVSA 信號采集分析軟件組成[3]，如圖2 所示。

圖2 SVSA設備

4.2 整體測試方案

對于規(guī)則的多層結構，由于層數(shù)并不是很多，可以通過在頂層及各層的質心均設置X、Y 和Z 的3 個方向加速傳感器，如圖3 中的圓形圖標所示。 通過獲得加速時程曲線數(shù)據(jù)識別獲得結構的頻率和阻尼，然后與理論計算的數(shù)據(jù)進行對比。

圖3 測點布置圖

SVSA 的采樣頻率可以高達1 000 Hz。 由于采用加速度傳感器進行采樣，因此，直接獲得的數(shù)據(jù)為樓蓋3 向的加速度時程。 程序可以直接采用直接積分方法獲得速度時程和位移時程。 在采樣過程中，由于周邊人員走動、沖擊荷載存在等因素，以及硬件本身可能存在的系統(tǒng)誤差等原因， 所獲得的時程曲線會發(fā)生 “飄” 的現(xiàn)象，可以對原始數(shù)據(jù)進行濾波，然后再進行時域或頻域的后續(xù)處理。 例如， 通過對所得的時程數(shù)據(jù)進行FFT 變化，采用半功率點法識別頻率和阻尼。

5 自動監(jiān)測和人工智能

基于類似SVSA 的采集系統(tǒng)， 可以實現(xiàn)無人管理的自動監(jiān)測。 形成海量的數(shù)據(jù)為機器學習或深入學習提供可能性。 傳統(tǒng)的建筑反應識別，是通過經(jīng)驗判斷和簡單的數(shù)學模型進行。這是由于在設計中采用的 “糖葫蘆串” 模型或者 “魚骨架” 模型所判定的諸如頻率和振型等結構動力特性相對較為簡單，從而利用這些模型進行地震反應的計算結果與實際情況的實測數(shù)據(jù)有一定程度出入。 因此，試圖通過實測數(shù)據(jù)反推結構的動力特性實現(xiàn)難度較大。

自動監(jiān)測為建筑結構在地震或者其他激勵下的海量反應數(shù)據(jù)提供了可能性； 這樣就可以建立數(shù)據(jù)庫， 為研究建筑結構、地震激勵和反應數(shù)據(jù)的對應關系提供足夠樣本。 采用深度學習建立模型可以進行訓練，如采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）或者循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN）的方式。 這種方式較原先的計算機處理精度可能會有較大幅度提高。

最近應用于自注意力機制的Transformer 模型或者圖形增強技術的Diffusion 模型， 則為研究思路提供了更多可能。Transformer 可能通過自主學習的方法， 從實測數(shù)據(jù)中提取結構反應的特征和歸納；Diffusion 則能加強反應形成的圖像的可讀性。 對于海量的數(shù)據(jù)歸納和整理在一定程度可以通過構建專門的prompt 進行，也可以通過新圖像識別技能進行判定建筑物反應是否在預測范圍內。 雖然上述模型的發(fā)展尚處于應用初期，但是前景可以預期。

6 結語

本文簡述了隔震設計及其實現(xiàn)方法， 指出設置在設防烈度條件及低于設防烈度下隔震層的有效性， 提出采用脈動法識別隔震結構的動力特性。 由于隔震設計更多是采用計算機模擬， 因此， 下一步工作應著重研究既有隔震建筑的現(xiàn)場表現(xiàn)，尤其是地震中的反應。新疆由于地處亞歐地震帶，8 度及以上的地震設防高烈度區(qū)較多，且有感地震頻發(fā)，適宜進行大規(guī)模的現(xiàn)場試驗。