1 绪论
1.1 研究背景及意义
我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带非常活跃，是世界地震灾害最严重的国家之一。近年来地震发生频繁，灾害严重，其中 2008 年 5 月，我国四川省汶川县发生 8 级特大地震，据不完全统计，地震造成严重损坏房屋 593 万间，倒塌房屋 546 万间，受损房屋 1500 万间以上，造成了巨大的经济损失[1-3]，如图 1-1 所示。但是，地震的产生具备随机性和复杂性。因此，提高建筑物抗震性能，减轻地震震害，防止结构倒塌，对保护生命财产安全具有重要意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 隔震减震技术进展研究
国内外很早便出现了隔震的思想，其降低了上部结构地震反应，因此广受国内外学者关注。隔震技术作为一门有效控制地震反应的技术，越来越多的被应用到实际工程中，近 40 年来，结构隔震的研究应用取得较好进展。
1881 年，日本学者河合浩藏提出了基础隔震概念，在地基和基础之间设置原木形成滑动层，地震时地基与基础产生滑动，减小地震能量传递，减轻上部结构地震反应[10]。1909 年，美国的 J·A·卡兰特伦茨在地基和基础间设置滑石层，地震时地基与基础产生滑动，减轻上部结构地震反应。1921 年~1927 年，F·L·莱特和鬼头健三郎分别采用软泥土层和轴承形成隔震层，减轻上部结构地震反应。1927 年，日本学者中村太郎采用阻尼器吸能装置，并在隔震理论方面做了大量的研究工作[11]。1966 年，李立采用砂砾作为摩擦材料形成隔震层，降低上部结构地震反应，并进行了大量的研究工作。1980 年以后，我国学者开始对橡胶支座隔震技术进行深入研究，对叠层橡胶支座力学性能试验、耐久性、检测鉴定、理论分析等进行了系统的研究。到 20 世纪末，橡胶支座隔震技术各方面研究成果丰硕，基本趋于成熟，能够运用到实际工程当中[12-14]。2000年以后，与隔震技术相关的规范、规程和标准图集相继颁布，为广泛运用隔震技术提供了参考。2001 年，隔震减震技术作为成熟可靠的抗震技术写入抗震规范中。2008 年汶川地震造成了巨大的经济损失，而橡胶支座隔震建筑表现良好，建筑隔震技术又引起人们的高度重视，进一步推动隔震技术的运用[15]。2014 年，发布行业标准《建筑消能减震技术规程》[16-17]。
综上所述，近年来对房屋基础减隔震技术的研究、开发和工程试点方面的重点从摩擦滑移隔震技术转到使用垫层橡胶技术，最近几年来进展迅速，取得了丰硕的成果[18-19]。各项研究表明，隔震技术能够在地震作用下降低上部结构地震反应，减小上部结构破坏。目前叠层橡胶支座隔震技术在实际工程中的应用非常广泛，也被工程建设各方普遍接受。
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2 自隔震机理和设计要点
2.1 隔震机理
2.1.1 碰撞模型
钢管混凝土柱自隔震结构，通过降低自隔震层刚度，延长结构的自振周期，使其远离地震动的卓越周期，从而实现隔震的目的。然而，自隔震层刚度降低，放大了自隔震层的位移，在地震作用下可能与阻挡结构产生碰撞。目前，模拟碰撞的方法有碰撞动力学法和接触单元法。其中接触单元法是模拟碰撞的主要方法，它是基于力的碰撞模拟方法，考虑了碰撞过程前、碰撞过程中、碰撞过程后，可以得到碰撞过程时程曲线。本文用接触单元法模拟钢管混凝土柱与阻挡结构的碰撞作用，采用线性模型，即利用一个线性刚度的弹簧模拟碰撞力和碰撞变形的关系。如图 2-1（a）所示，将自隔震层钢管混凝土柱和阻挡结构简化为质点 i和固定支座，K 为碰撞弹簧的线性刚度，Gp为初始间隙。当发生碰撞时，采用式2-1 计算碰撞力。
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2.2.1 自隔震层设置
钢管混凝土柱自隔震层一般设置在结构底层或地下室，或者二者兼有。为了发挥自隔震层的作用，产生更好的隔震效果，一般尽可能利用结构空间，增大自隔震层层高。按照有无地下室可以分为以下两类：
一）无地下室结构
无地下室时，将底层作为结构的自隔震层如图 2-11 所示。此时在结构室内地坪到基础底部的位置以设置阻挡结构的形式将土和钢管混凝土柱隔开，避免了土对钢管混凝土柱的约束作用，从而增加钢管混凝土柱的高度，降低自隔震层刚度，延长结构周期。
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3 自隔震效果对比分析................................... 17
3.1 结构有限元模型建立..............................17
3.1.1 钢管混凝土柱弯矩-曲率关系............................17
3.1.2 钢筋混凝土柱弯矩-曲率关系.............. ..............19
4.阻挡间隙影响分析........................................ 65
4.1 地震时程反应分析结果对比................................65
4.1.1 1940，El Centro 地震动........................... 65
4.1.2 什邡八角地震动.............................70
4.阻挡间隙影响分析
4.1 地震时程反应分析结果对比
对模型 2 和模型 3 自隔震结构进行 7 度（0.15g）中震、大震和极罕遇地震作用下的地震时程反应分析，采用的地震动参数及输入情况如 3.4 节所示，模型2 主要分析结果及与模型 1 的对比和模型 3 主要分析结果及与模型 2 的对比如下所示。
4.1.1 1940，El Centro 地震动
一）加速度反应
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结论与展望
1. 结论
自隔震结构是不外加隔震装置，通过其自身构件作为隔震构件，降低自隔震层刚度，延长结构的自振周期，使其远离地震动的卓越周期，达到降低上部结构地震反应的目的。钢管混凝土柱自隔震结构依靠钢管混凝土柱作为自隔震构件，目前钢管混凝土柱自隔震结构隔震效能研究较少。因此，本文以彭州中学宿舍楼自隔震结构为工程背景，通过数值分析手段开展自隔震效能分析，并提出钢管混凝土柱自隔震结构的设计要点。
1. 通过简化的自隔震结构单自由度模型计算分析表明：（1）刚度/等效刚度：降低自隔震层刚度/等效刚度，能够降低上部结构加速度反应，实现隔震的目的。（2）阻挡间隙和阻挡高度：减小阻挡间隙和增加阻挡高度，能够减小自隔震层位移，防止结构倒塌，但加速度反应增大，降低自隔震结构隔震效果。
2. 通过自隔震结构和非隔震结构非线性地震时程反应对比分析表明：（1）自隔震结构阻挡间隙为 25mm，在超大震作用下自隔震结构碰撞位置处最大位移为 19.91mm，未发生碰撞作用。（2）周期/等效周期：在中震、大震和极罕遇地震作用下，自隔震结构等效周期和非隔震结构相比，至少延长了 1.2 以上。（3）加速度：在中震、大震和极罕遇地震作用下，自隔震结构和非隔震结构相比，能够减小上部结构各层加速度反应，其加速度比值为 0.57~1.00。（4）加速度放大系数：在中震、大震和极罕遇地震作用下，自隔震结构放大系数分别为0.56~1.33、0.42~0.99 和 0.35~0.78。（5）层间位移：在中震作用下，自隔震结构与非隔震结构相比，RH4TG040 波 U1 和 U2 方向 2 层层间位移反应增大，其层间位移比值为 1.03 和 1.07，其余情况层间位移反应减小，其层间位移比值为0.59~0.91。在大震作用下，自隔震结构与非隔震结构相比，什邡八角波 2 层 U1方向层间位移反应增大，其层间位移比值为 1.10，RH4TG040 波 2 层和 3 层 U1方向层间位移反应增大，其层间位移比值为 1.54 和 1.08，其余情况层间位移反应减小，其层间比值为 0.56~0.96。在极罕遇地震作用下，自隔震结构与非隔震结构相比，1940，El Centro 波 2 层 U1 方向层间位移反应增大，其层间位移比值为 1.24，RH4TG040 波 2 层、3 层 U1 方向和 2 层 U2 方向层间位移反应增大，其层间位移比值为 1.31、1.07 和 1.09，其余情况层间位移反应减小，其比值为0.63~0.96。（6）层间位移角：大震作用下，自隔震结构层间位移角最大值为1/85 小于弹塑性层间位移角限值 1/50，不会引起结构倒塌。（7）破坏情况：在中震、大震和极罕遇地震作用下，自隔震结构一层柱比非隔震结构破坏轻，其典型柱非线性程度系数最大值分别为 0.023 和 0.067、0.677 和 3.334、0.935 和9.09；在中震作用下，自隔震结构二层柱和非隔震结构未破坏，在大震、极罕遇地震作用下，自隔震结构二层柱比非隔震结构破坏严重，其典型柱非线性程度系数最大值分别为 0.103 和 0.008、0.810 和 0.328。
参考文献（略）