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摘 要：文章概述了在地震作用下隔震结构产生扭转振动的主要影响原因，对近年来国内外学者的研究成果进行了归纳总结，并对隔震结构扭转振动分析研究提出了几点建议。
关键词：基础隔震；扭转振动分析；研究进展
中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）35-0001-02
地震是一种突发性的、毁灭性的自然灾害。地震发生时，地面振动会引起结构的地震反应，如何控制结构体系的地震反应，并消除结构体系“放大器”的作用，是工程设计人员面临的一大挑战。目前发展较为成熟且应用于实际工程中的技术多是基础隔震，它是通过在建筑物基础与上部结构之间设置某种隔震装置，隔离地震能量向上部结构的传递，延长建筑物的振动周期，从而降低上部结构的地震反应。在分析研究基础隔震系统时，由于自身研究条件限制，常需要采用简化的模型和假定，忽略掉了扭转等影响结构控制实际效果的因素。通过对近年来众多大地震灾害的调查和试验、理论分析发现，在地震作用下建筑物不仅产生平动，还有扭转振动。如在1995年的阪神大地震的灾害分析报告中显示，钢筋混凝土房屋严重破坏甚至倒塌的大部分原因是结构产生了扭转振动。随着城市建设的多元化发展和隔震技术的推广应用，异型非对称结构的隔震建筑也在增多，这些新建的隔震建筑能否经受住强震的考验，还是个未知数，故而对不同建筑风格的隔震建筑进行全面系统的研究是十分必要的，进而才能保证隔震建筑的安全性和耐久性。
1 产生扭转振动的主要因素
隔震结构的设计原则是上部结构整体的重心位置与隔震层的刚心一致，但是由于隔震装置刚度的偏差、阻尼器屈服力的偏差都会产生偏心，有可能发生扭转振动。引起隔震结构产生地震扭转振动的原因是多方面的，一般有以下几个主要原因：①上部结构的偏心。建筑物的重量、荷载分布的偏差、构件的刚度以及强度的偏差等都会引起上部结构的偏心。②隔震层的偏心。隔震装置整体刚心与上部结构的整体重心若不在同一轴线上就会引起隔震层的偏心。在偏心距和偏心率相同的情况下，隔震层平面形状、隔震装置的布置位置以及非线性特性引起的扭转振动的影响程度也是不一样的。在高压应力下，小型叠层橡胶支座的刚度会减小，特别其第二形状系数较小时；地震时滑板支座的摩擦力随轴力的变化而变化。不仅如此，上部结构荷载的变化以及隔震装置各元件制作上的偏差等等，也有可能引起结构的扭转振动。③下部结构的偏心。隔震层下部的地下层或由基础构成的下部结构的重量、刚心的偏心都会引起下部结构的偏心。为了能够使隔震装置充分发挥其隔震性能，在进行下部结构设计的时候，都会设计的非常牢固，因此可认为其对结构的扭转振动的影响较小。④地震动转动分量。由于隔震结构基础面积相当大时，而地震波在通过地面时情况又极其复杂，地面上每一部分在同一时刻产生的位移也是不同的，而这种不均匀性也会引起扭转振动。地震波表面成分、踢波的斜向输入或周围地基的不规则均会引起相位差输入的地震动的不均匀性。若是上部结构、隔震装置以及地基在水平面内的总刚度低于隔震结构基础的刚度时，基础的扭转振动就会产生，从而导致扭转振动输入到隔震结构。
2 扭转振动的研究概况
现阶段，随着基础隔震技术理论研究已慢慢趋于成熟，隔震技术在工程实际中也得到了推广应用，隔震结构在地震作用下扭转振动反应及其控制问题日益成为关注的焦点和研究的热点，国内外的研究学者也开始逐步对基础隔震结构的扭转振动反应进行研究。
美国学者Lee通过对在地震作用下单层基础隔震结构的上部结构周期以及偏心距等对结构的扭转反应分析，指出影响结构扭转的主要因素是隔震层刚心的位置，而且就算上部结构的偏心很大，只要隔震层偏心程度很小，结构中产生的扭转振动很小，甚至可以忽略不计。
莱斯大学教授S.Nagarajaiah等对在双向地震作用下基础隔震结构进行研究分析，讨论了上部结构刚度及偏心距、平扭振动频率比、隔震层的偏心距等在双向地震作用下对结构平扭耦联反应的影响。研究指出，虽然基础隔震技术降低了上部结构的加速度、位移反应，但是由于隔震层及上部结构的偏心距的存在，使得结构的地震扭转振动提高了，且增加结构的周期会增加结构偏心的影响，在工程设计和研究中应给予重视。
印度学者R.S.Jangid等基于隔震层偏心很小的情况，针对考虑结构中双向摩擦力之间的耦合和不耦合时，对比研究了结构在双向随机地震动作用下的扭转振动，归纳分析了上部结构偏心、隔震支座的屈服强度以及摩擦系数等对基础隔震结构隔震效果的影响，非对称隔震结构的隔震效果在结构存在平扭耦联特征时比对称结构的小，不宜忽略扭转振动效应，否则会高估隔震效果。而且在分析偏心结构扭转振动反应时，最好采用空间分析模型。
Samali等通过对五层钢框架施加配重而成的隔震结构而成偏心隔震结构进行了振动台试验，研究表明：隔震系统不仅能够减小结构的地震反应，还减小了结构的扭转振动，但是扭转振动仍不能被忽略，仍是基础隔震偏心结构的一个重要特征。
Shakib等分析研究了在竖向地震作用下，单层摩擦隔震支座偏心结构的地震反应，发现竖向地震动对平动-扭转耦联摩擦滑移隔震的影响比较大。
Tena-Colunga等以上部结构存在偏心的基础隔震结构为模型，进行地震反应分析，并且对不同参数对隔震结构扭转效应的影响进行了研究，发现对扭转反应影响较大的主要参数是上部结构的偏心距，而且在隔振周期和上部结构周期比增大时扭转放大系数会增大，而隔震层的偏心率是隔震层峰值位移反应放大值增加的主要因素。
江宜城，唐家祥等分别对在地震作用下偏心单层以及多层基础隔震框架结构进行了地震扭转反应分析，建立了框架隔震结构在地震作用下的扭转反应的运动方程，计算了结构模型不同偏心率情况下的地震反应，并讨论了隔震层水平刚度、扭转刚度与结构固有周期的关系。研究指出，对存在扭转变形的基础隔震结构来说，上部结构的偏心率和隔震层刚度的偏心会影响结构的扭转变形，而减小隔震层偏心，可以减小结构的扭转变形比；当采用具有等价双线性恢复力特性的隔震系统时，可减小结构模型的扭转角。 吴香香，李宏男在不同地震动作用下，对基础隔震偏心结构的地震反应进行了深入研究，不仅研究了上部结构偏心的影响，重点探讨了隔震层偏心以及不同场地条件对结构扭转效应的影响，还提出了在地震作用下结构扭转的简化计算公式。研究表明：隔震层转侧频率比对反应影响很小，而隔震层与上部结构偏心距、上部结构转侧频率比是上部结构扭转加速度的主要影响因素。隔震层与上部结构偏心距对隔震结构扭转效应的影响显著；在一定范围内增大上部结构的转侧频率比时，会减小隔震层与上部结构的扭转反应。
王建强，姚谦峰等研究了在水平双向地震作用下，采用铅芯橡胶支座的基础隔震偏心结构的平扭耦联地震反应，并分别研究了上部结构偏心距、扭转与平动周期比和隔震层偏心距对结构地震反应的影响，指出若是在隔震层无偏心的情况下，结构的扭转反应与上部结构的偏心距和周期比有关，减小上部结构的扭转与平动周期比和上部结构的偏心距和周期比，可以有效减小结构的平扭耦联地震反应；若是隔震结构上部结构有偏心，隔震层偏心距对结构的扭转反应影响显著；而且当隔震层刚度中心与结构质量中心重合时，对结构地震反应的控制效果并不一定最佳。
袁兵，黄炎生等采用隔震结构的基本假定，建立了地震作用下高层框架剪力墙基础隔震结构的平移-扭转耦联振动模型和运动方程，对单轴偏心基础隔震结构的地震扭转反应进行了分析，并研究了隔震结构在不同偏心率下的地震反应，通过隔震层的合理布置，使隔震层与上部结构的偏心达到某一临界关系时，隔震结构的扭转效应才能最小，隔震效果最好。
党育等基于串联钢片模型，分别对单层和多层偏心隔震结构进行理论推导和数值分析，研究了上部结构的质量偏心、上部结构偏心率、隔震层偏心率和隔震层的水平刚度对扭转效应的影响。结果发现，隔震层刚度、质量偏心和隔震层偏心率的增大均会使结构扭转反应增加，且以隔震层刚度为主；在不同的情况下，可以以层内力比或扭矩比来作为减震效果的依据，且层内力比岁随上部结构的偏心率增大而增大，减震效果变差。
3 结 语
综上所述，随着隔震技术的应用和推广，国内外对隔震结构在地震作用下产生扭转振动反应的研究也日益增多，为使得隔震技术能够在偏心结构扭转方面得到广泛应用，还需要对扭转隔震作进一步的研究：理论上需要进一步研究分析研究基础隔震结构在扭转振动下的反应和破坏机理；考虑在多维地震动分量的耦合输入下隔震结构的扭转振动反应，进行振动台试验；还需要考虑双轴偏心的情况；开发针对不同偏心结构类型的新型控制装置，并进行性能研究等等。
参考文献：
[1] 胡庆昌.1995年1月17日日本阪神大地震中神户市房屋结构震害简介[J].建筑结构学报，1995，16（3）：10-12.
[2] Lee D M.Base isolation for torsion reduction in asymmetric Struetures under earthquake loading[J].Earthquake Engineeri-
ng and Structural Dynamics，1980，（8）：349-359.
[3] Nagarajaiah S.Reinborn A.M. and Constantinou M.C.Torsional-
Coupling in Sliding Base Isolated structures[J].Journal of str-
uctural Engineering. ASCE，1993，（119）：130-149.
[4] R.S.Jangid and T.K.Datta. Seismic response of torsionally coupled structure with elasto-plastic base isolation[J].Engin-
eering Structures，1994，16（4）：256-262.
[5] R.S.Jangid and T.K.Datta. Nonlinear response of torsionally coupled base isolated structure[J]. Journal of structural Engi-
neering，1994，120（1）：1-2.
[6] Bijan Samali， WU YM， LI J C. Shake table tests on a mass eccentric model with base isolation[J]. Earthquake Engineeri-
ng and Structural Dynamics， 2003， 32（9）：1353-1372.
[7] H.Shakib，A.Fuladgar. Effect of vertical component of earthqu-
ake on the response of pure-friction base-isolated asymme-
tric buildings[J]. Engineering Structures，2003，25（14）：1841-1850.
[8] Tena-Colunga A， Gomez-Soberon L. Torsional response of base-isolated structures due to asymmetries in the superstr-
ucture[J]. Engineering Structures， 2002，24（12）：1587-1599.
[9] 江宜城，唐家祥.单轴偏心的基础隔震结构扭转反应分析[J].华中理工大学学报，1999，27（6）：80-82.
[10] 江宜城，唐家祥，李媛萍.多层框架隔震结构的地震扭转反应分析[J].工程抗震，2000，（2）：12-14.
[11] 吴香香，李宏男.结构偏心对基础隔震结构地震反应的影响[J].地震工程与工程振动，2003，23（1）：145-151.
[12] 王建强.基础隔震结构多维及平-扭耦联地震反应分析[D].西安：西安建筑科技大学，2003.
[13] 袁兵，黄炎生，任立飞，等.框架-剪力墙基础隔震结构的地震扭转反应[J].华南理工大学学报，2006，34（7）：94-98.
[14] 党育，霍凯成.偏心隔震结构扭转效应的影响因素分析[J].武汉理工大学学报，2010，32（14）：137-141.
关键词：基础隔震；扭转振动分析；研究进展
中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）35-0001-02
地震是一种突发性的、毁灭性的自然灾害。地震发生时，地面振动会引起结构的地震反应，如何控制结构体系的地震反应，并消除结构体系“放大器”的作用，是工程设计人员面临的一大挑战。目前发展较为成熟且应用于实际工程中的技术多是基础隔震，它是通过在建筑物基础与上部结构之间设置某种隔震装置，隔离地震能量向上部结构的传递，延长建筑物的振动周期，从而降低上部结构的地震反应。在分析研究基础隔震系统时，由于自身研究条件限制，常需要采用简化的模型和假定，忽略掉了扭转等影响结构控制实际效果的因素。通过对近年来众多大地震灾害的调查和试验、理论分析发现，在地震作用下建筑物不仅产生平动，还有扭转振动。如在1995年的阪神大地震的灾害分析报告中显示，钢筋混凝土房屋严重破坏甚至倒塌的大部分原因是结构产生了扭转振动。随着城市建设的多元化发展和隔震技术的推广应用，异型非对称结构的隔震建筑也在增多，这些新建的隔震建筑能否经受住强震的考验，还是个未知数，故而对不同建筑风格的隔震建筑进行全面系统的研究是十分必要的，进而才能保证隔震建筑的安全性和耐久性。
1 产生扭转振动的主要因素
隔震结构的设计原则是上部结构整体的重心位置与隔震层的刚心一致，但是由于隔震装置刚度的偏差、阻尼器屈服力的偏差都会产生偏心，有可能发生扭转振动。引起隔震结构产生地震扭转振动的原因是多方面的，一般有以下几个主要原因：①上部结构的偏心。建筑物的重量、荷载分布的偏差、构件的刚度以及强度的偏差等都会引起上部结构的偏心。②隔震层的偏心。隔震装置整体刚心与上部结构的整体重心若不在同一轴线上就会引起隔震层的偏心。在偏心距和偏心率相同的情况下，隔震层平面形状、隔震装置的布置位置以及非线性特性引起的扭转振动的影响程度也是不一样的。在高压应力下，小型叠层橡胶支座的刚度会减小，特别其第二形状系数较小时；地震时滑板支座的摩擦力随轴力的变化而变化。不仅如此，上部结构荷载的变化以及隔震装置各元件制作上的偏差等等，也有可能引起结构的扭转振动。③下部结构的偏心。隔震层下部的地下层或由基础构成的下部结构的重量、刚心的偏心都会引起下部结构的偏心。为了能够使隔震装置充分发挥其隔震性能，在进行下部结构设计的时候，都会设计的非常牢固，因此可认为其对结构的扭转振动的影响较小。④地震动转动分量。由于隔震结构基础面积相当大时，而地震波在通过地面时情况又极其复杂，地面上每一部分在同一时刻产生的位移也是不同的，而这种不均匀性也会引起扭转振动。地震波表面成分、踢波的斜向输入或周围地基的不规则均会引起相位差输入的地震动的不均匀性。若是上部结构、隔震装置以及地基在水平面内的总刚度低于隔震结构基础的刚度时，基础的扭转振动就会产生，从而导致扭转振动输入到隔震结构。
2 扭转振动的研究概况
现阶段，随着基础隔震技术理论研究已慢慢趋于成熟，隔震技术在工程实际中也得到了推广应用，隔震结构在地震作用下扭转振动反应及其控制问题日益成为关注的焦点和研究的热点，国内外的研究学者也开始逐步对基础隔震结构的扭转振动反应进行研究。
美国学者Lee通过对在地震作用下单层基础隔震结构的上部结构周期以及偏心距等对结构的扭转反应分析，指出影响结构扭转的主要因素是隔震层刚心的位置，而且就算上部结构的偏心很大，只要隔震层偏心程度很小，结构中产生的扭转振动很小，甚至可以忽略不计。
莱斯大学教授S.Nagarajaiah等对在双向地震作用下基础隔震结构进行研究分析，讨论了上部结构刚度及偏心距、平扭振动频率比、隔震层的偏心距等在双向地震作用下对结构平扭耦联反应的影响。研究指出，虽然基础隔震技术降低了上部结构的加速度、位移反应，但是由于隔震层及上部结构的偏心距的存在，使得结构的地震扭转振动提高了，且增加结构的周期会增加结构偏心的影响，在工程设计和研究中应给予重视。
印度学者R.S.Jangid等基于隔震层偏心很小的情况，针对考虑结构中双向摩擦力之间的耦合和不耦合时，对比研究了结构在双向随机地震动作用下的扭转振动，归纳分析了上部结构偏心、隔震支座的屈服强度以及摩擦系数等对基础隔震结构隔震效果的影响，非对称隔震结构的隔震效果在结构存在平扭耦联特征时比对称结构的小，不宜忽略扭转振动效应，否则会高估隔震效果。而且在分析偏心结构扭转振动反应时，最好采用空间分析模型。
Samali等通过对五层钢框架施加配重而成的隔震结构而成偏心隔震结构进行了振动台试验，研究表明：隔震系统不仅能够减小结构的地震反应，还减小了结构的扭转振动，但是扭转振动仍不能被忽略，仍是基础隔震偏心结构的一个重要特征。
Shakib等分析研究了在竖向地震作用下，单层摩擦隔震支座偏心结构的地震反应，发现竖向地震动对平动-扭转耦联摩擦滑移隔震的影响比较大。
Tena-Colunga等以上部结构存在偏心的基础隔震结构为模型，进行地震反应分析，并且对不同参数对隔震结构扭转效应的影响进行了研究，发现对扭转反应影响较大的主要参数是上部结构的偏心距，而且在隔振周期和上部结构周期比增大时扭转放大系数会增大，而隔震层的偏心率是隔震层峰值位移反应放大值增加的主要因素。
江宜城，唐家祥等分别对在地震作用下偏心单层以及多层基础隔震框架结构进行了地震扭转反应分析，建立了框架隔震结构在地震作用下的扭转反应的运动方程，计算了结构模型不同偏心率情况下的地震反应，并讨论了隔震层水平刚度、扭转刚度与结构固有周期的关系。研究指出，对存在扭转变形的基础隔震结构来说，上部结构的偏心率和隔震层刚度的偏心会影响结构的扭转变形，而减小隔震层偏心，可以减小结构的扭转变形比；当采用具有等价双线性恢复力特性的隔震系统时，可减小结构模型的扭转角。 吴香香，李宏男在不同地震动作用下，对基础隔震偏心结构的地震反应进行了深入研究，不仅研究了上部结构偏心的影响，重点探讨了隔震层偏心以及不同场地条件对结构扭转效应的影响，还提出了在地震作用下结构扭转的简化计算公式。研究表明：隔震层转侧频率比对反应影响很小，而隔震层与上部结构偏心距、上部结构转侧频率比是上部结构扭转加速度的主要影响因素。隔震层与上部结构偏心距对隔震结构扭转效应的影响显著；在一定范围内增大上部结构的转侧频率比时，会减小隔震层与上部结构的扭转反应。
王建强，姚谦峰等研究了在水平双向地震作用下，采用铅芯橡胶支座的基础隔震偏心结构的平扭耦联地震反应，并分别研究了上部结构偏心距、扭转与平动周期比和隔震层偏心距对结构地震反应的影响，指出若是在隔震层无偏心的情况下，结构的扭转反应与上部结构的偏心距和周期比有关，减小上部结构的扭转与平动周期比和上部结构的偏心距和周期比，可以有效减小结构的平扭耦联地震反应；若是隔震结构上部结构有偏心，隔震层偏心距对结构的扭转反应影响显著；而且当隔震层刚度中心与结构质量中心重合时，对结构地震反应的控制效果并不一定最佳。
袁兵，黄炎生等采用隔震结构的基本假定，建立了地震作用下高层框架剪力墙基础隔震结构的平移-扭转耦联振动模型和运动方程，对单轴偏心基础隔震结构的地震扭转反应进行了分析，并研究了隔震结构在不同偏心率下的地震反应，通过隔震层的合理布置，使隔震层与上部结构的偏心达到某一临界关系时，隔震结构的扭转效应才能最小，隔震效果最好。
党育等基于串联钢片模型，分别对单层和多层偏心隔震结构进行理论推导和数值分析，研究了上部结构的质量偏心、上部结构偏心率、隔震层偏心率和隔震层的水平刚度对扭转效应的影响。结果发现，隔震层刚度、质量偏心和隔震层偏心率的增大均会使结构扭转反应增加，且以隔震层刚度为主；在不同的情况下，可以以层内力比或扭矩比来作为减震效果的依据，且层内力比岁随上部结构的偏心率增大而增大，减震效果变差。
3 结 语
综上所述，随着隔震技术的应用和推广，国内外对隔震结构在地震作用下产生扭转振动反应的研究也日益增多，为使得隔震技术能够在偏心结构扭转方面得到广泛应用，还需要对扭转隔震作进一步的研究：理论上需要进一步研究分析研究基础隔震结构在扭转振动下的反应和破坏机理；考虑在多维地震动分量的耦合输入下隔震结构的扭转振动反应，进行振动台试验；还需要考虑双轴偏心的情况；开发针对不同偏心结构类型的新型控制装置，并进行性能研究等等。
参考文献：
[1] 胡庆昌.1995年1月17日日本阪神大地震中神户市房屋结构震害简介[J].建筑结构学报，1995，16（3）：10-12.
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[4] R.S.Jangid and T.K.Datta. Seismic response of torsionally coupled structure with elasto-plastic base isolation[J].Engin-
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[5] R.S.Jangid and T.K.Datta. Nonlinear response of torsionally coupled base isolated structure[J]. Journal of structural Engi-
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ng and Structural Dynamics， 2003， 32（9）：1353-1372.
[7] H.Shakib，A.Fuladgar. Effect of vertical component of earthqu-
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tric buildings[J]. Engineering Structures，2003，25（14）：1841-1850.
[8] Tena-Colunga A， Gomez-Soberon L. Torsional response of base-isolated structures due to asymmetries in the superstr-
ucture[J]. Engineering Structures， 2002，24（12）：1587-1599.
[9] 江宜城，唐家祥.单轴偏心的基础隔震结构扭转反应分析[J].华中理工大学学报，1999，27（6）：80-82.
[10] 江宜城，唐家祥，李媛萍.多层框架隔震结构的地震扭转反应分析[J].工程抗震，2000，（2）：12-14.
[11] 吴香香，李宏男.结构偏心对基础隔震结构地震反应的影响[J].地震工程与工程振动，2003，23（1）：145-151.
[12] 王建强.基础隔震结构多维及平-扭耦联地震反应分析[D].西安：西安建筑科技大学，2003.
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