中国安全科学学报

楼层	高度/ m	质量/ kg	弹性剪切刚度/(kN/m)	阻尼系数/ (kN·s/m)
20	3.96	1.170×10⁶	171.70×10³	上部结构阻尼比:3%
18—19	3.96	1.100×10⁶	256.46×10³
15—17	3.96	1.100×10⁶	291.23×10³
12—14	3.96	1.100×10⁶	453.51×10³
6—11	3.96	1.100×10⁶	554.17×10³
2—5	3.96	1.100×10⁶	862.07×10³
1	5.49	1.126×10⁶	862.07×10³
隔震层	-	5.524×10⁶	103.80×10³	3.85×10³

楼层	高度/ m	质量/ kg	弹性剪切刚度/(kN/m)	阻尼系数/ (kN·s/m)
20	3.96	1.170×10⁶	171.70×10³	上部结构阻尼比:3%
18—19	3.96	1.100×10⁶	256.46×10³
15—17	3.96	1.100×10⁶	291.23×10³
12—14	3.96	1.100×10⁶	453.51×10³
6—11	3.96	1.100×10⁶	554.17×10³
2—5	3.96	1.100×10⁶	862.07×10³
1	5.49	1.126×10⁶	862.07×10³
隔震层	-	5.524×10⁶	103.80×10³	3.85×10³

阶次	1	2	3	4	5	6
固支结构	3.51	1.35	0.81	0.60	0.48	0.39
基础隔震结构	4.51	1.81	1.10	0.74	0.57	0.46
基础隔震结构- VIMD系统 (μ=0.5)	4.81	2.30	1.26	0.79	0.59	0.47
基础隔震结构- VIMD系统 (μ=1)	5.15	2.64	1.30	0.80	0.60	0.48

阶次	1	2	3	4	5	6
固支结构	3.51	1.35	0.81	0.60	0.48	0.39
基础隔震结构	4.51	1.81	1.10	0.74	0.57	0.46
基础隔震结构- VIMD系统 (μ=0.5)	4.81	2.30	1.26	0.79	0.59	0.47
基础隔震结构- VIMD系统 (μ=1)	5.15	2.64	1.30	0.80	0.60	0.48

序列号	地震动名称	年份	震级	分量	调幅后的峰值加速度/(cm/s²)
RSN-161	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-BRA225	3.12
RSN-173	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-E10050	3.12
RSN-181	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-E06230	3.37
RSN-1158	Kocaeli, Turkey	1999	7.51	DZC180	4.97
RSN-1529	Chi-Chi, Taiwan	1999	7.62	TCU102-E	3.21
RSN-2457	Chi-Chi, Taiwan-03	1999	6.2	CHY024E	4.86
RSN-3744	Cape Mendocino	1992	7.01	BNH270	2.66
RSN-6942	Darfield, New Zealand	2010	7.0	NNBSS13E	3.41
RSN-6966	Darfield, New Zealand	2010	7.0	SHLCS40W	3.65
RSN-8130	Christchurch, New Zealand	2011	6.2	SHLCS40W	5.10

序列号	地震动名称	年份	震级	分量	调幅后的峰值加速度/(cm/s²)
RSN-161	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-BRA225	3.12
RSN-173	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-E10050	3.12
RSN-181	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-E06230	3.37
RSN-1158	Kocaeli, Turkey	1999	7.51	DZC180	4.97
RSN-1529	Chi-Chi, Taiwan	1999	7.62	TCU102-E	3.21
RSN-2457	Chi-Chi, Taiwan-03	1999	6.2	CHY024E	4.86
RSN-3744	Cape Mendocino	1992	7.01	BNH270	2.66
RSN-6942	Darfield, New Zealand	2010	7.0	NNBSS13E	3.41
RSN-6966	Darfield, New Zealand	2010	7.0	SHLCS40W	3.65
RSN-8130	Christchurch, New Zealand	2011	6.2	SHLCS40W	5.10

性能指标	VD	VIMD
J₁	$\xi =0.48$	19.4	$\mu =0.74,\xi =0.16$	43.9
J₂	$\xi =0.36$	15.5	$\mu =0.31,\xi =0.18$	35.0
J₃	$\xi =0.5$	41.3	$\mu =0,\xi =0.5$	41.3

性能指标	VD	VIMD
J₁	$\xi =0.48$	19.4	$\mu =0.74,\xi =0.16$	43.9
J₂	$\xi =0.36$	15.5	$\mu =0.31,\xi =0.18$	35.0
J₃	$\xi =0.5$	41.3	$\mu =0,\xi =0.5$	41.3

性能指标	VD	VIMD
J₁	$\xi =0.5$	20.2	$\mu =0.01,\xi =0.5$	20.2
J₂	$\xi =0.5$	22.4	$\mu =0.61,\xi =0.5$	23.9
J₃	$\xi =0.5$	30.3	$\mu =0,\xi =0.5$	30.3

性能指标	VD	VIMD
J₁	$\xi =0.5$	20.2	$\mu =0.01,\xi =0.5$	20.2
J₂	$\xi =0.5$	22.4	$\mu =0.61,\xi =0.5$	23.9
J₃	$\xi =0.5$	30.3	$\mu =0,\xi =0.5$	30.3

附加VIMD的高层基础隔震结构抗震抗风性能研究

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王恒 ¹ , 宋英华 ¹^,²^,^** , 吕伟 ¹

中国安全科学学报 | 安全技术与工程 2026,36(5): 199-206

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中国安全科学学报 |安全技术与工程 2026 , 36 (5) : 199 -206

附加VIMD的高层基础隔震结构抗震抗风性能研究

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王恒¹, 宋英华¹^,²^,^**, 吕伟¹

作者信息

¹ 武汉理工大学中国应急管理研究中心, 湖北武汉 430070

² 青海大学地质工程学院, 青海西宁 810016

通讯作者:

^** 宋英华(1962—),男,湖北武汉人,博士,教授,主要从事公共安全与应急管理方面的研究。E-mail: song6688c@163.com。

作者简介:

王恒 (1993—),男,湖北黄冈人,博士,助理研究员,主要从事建筑减隔震技术、结构随机振动等方面的研究。E-mail: hwang@whut.edu.cn。

吕伟教授。

Study on seismic and wind resistance performance of a high-rise base-isolated structure with supplemental VIMD

Heng Wang¹, Yinghua Song¹^,²^,^**, Wei Lyu¹

Affiliations

¹ China Research Center for Emergency Management, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China

² School of Geological Engineering, Qinghai University, Xining Qinghai 810016, China

出版时间: 2026-05-28 doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.05.1355

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摘要

收起

为推动黏滞惯质阻尼器(VIMD)在高层基础隔震结构中的工程应用,以20层隔震钢结构模型为研究对象,首先,探讨VIMD的惯质对结构自振周期的影响;然后,从太平洋地震工程研究中心选取10条实际地震动并进行调幅使其匹配目标设计反应谱,研究VIMD对结构地震响应的控制特征及减震效果;最后,基于达文波特脉动风速谱,采用谱表示法生成10条随机脉动风速时程,研究VIMD对结构风振响应的控制特征及减振效果。结果表明:VIMD可延长该高层基础隔震结构的自振周期,且主要体现在前6阶。在地震激励作用下,VIMD对高层基础隔震结构隔震层相对位移响应的减震效果与黏滞阻尼器(VD)相当,但其对上部结构响应的减震率较VD可提升19.5%~24.5%。在风荷载作用下,VIMD和VD对高层基础隔震结构响应控制能力基本相同。

关键词

黏滞惯质阻尼器(VIMD) / 高层基础隔震结构 / 自振周期 / 抗震性能 / 抗风性能

Abstract

收起

To promote the engineering application of VIMD in high-rise base-isolated structures, a 20-story base-isolated steel structure model was considered. First, the influence of the VIMD's inertance on the structure's natural periods was investigated. Then, 10 real ground motion records were selected from the Pacific Earthquake Engineering Research Center database and were scaled to match the target design response spectrum. The control characteristics and seismic mitigation effects of VIMD on the structural response were studied. Finally, based on the Davenport fluctuating wind speed spectrum, the spectral representation method was used to generate 10 stochastic fluctuating wind speed time histories. The control characteristics and wind-induced vibration mitigation effects of VIMD on the structural response were studied. The results indicate that VIMD can further extend the natural periods of the high-rise base-isolated structure, mainly in the first six modes. Under seismic excitations, the control effectiveness of VIMD on the relative displacement response of the isolation layer is comparable to that of Viscous Dampers (VD). However, the vibration mitigation ratios of VIMD for the response of the superstructure is improved by 19.5%-24.5% compared with that of VD. Under wind loads, VIMD and VD have basically the same response control capabilities for the high-rise base-isolated structure.

Key words

viscous inertial mass damper(VIMD) / high-rise base-isolated structure / natural period / seismic performance / wind resistance performance

引用本文

王恒, 宋英华, 吕伟. 附加VIMD的高层基础隔震结构抗震抗风性能研究. 中国安全科学学报, 2026 , 36 (5) : 199 -206 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.05.1355

Heng Wang, Yinghua Song, Wei Lyu. Study on seismic and wind resistance performance of a high-rise base-isolated structure with supplemental VIMD[J]. China Safety Science Journal, 2026 , 36 (5) : 199 -206 . DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.05.1355

正文

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0 引言

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近年来,随着我国城市化进程的高速发展,高层建筑逐渐成为主要大城市发展的必然选择。基础隔震技术因其优越的减震效果而被广泛应用于结构抗震性能提升^[1-3]。当前一些高层建筑已经采用基础隔震技术,如日本大阪的公园住宅中之岛塔(约193m)、美国洛杉矶市政厅(约138m)。然而,强震下高层基础隔震结构的隔震层位移可达数百毫米,可能导致隔震支座破坏或上部结构倾覆失稳。此外,高层基础隔震结构具有高、柔、低基频和低阻尼的特点,在风荷载下易发生大幅振动,导致风荷载可能成为控制荷载,其风振响应需引起高度重视。因此,发展高性能阻尼器,有效控制高层基础隔震结构隔震层位移并提升上部结构抗震抗风性能,对保障高层建筑安全、推进韧性城市建设具有重要意义。

学者们将黏滞阻尼器(Viscous Damper,VD)、调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)和磁流变阻尼器(Magnetorheological Damper,MRD)设置在隔震层以提升基础隔震结构抗震性能,研究表明:VD阻尼系数过大会激起基础隔震结构高阶模态响应,从而增大上部结构层间位移和楼层加速度^[4]。TMD存在极短时间内无法启动或充分启动、需要较大的附加质量块和行程空间等问题^[5-6]。MRD的高制造成本、磁流变液悬浮稳定性问题和极端地震作用下的可靠性仍需研究^[7]。近年来,由惯质单元、阻尼单元和刚度单元组成的惯质类阻尼器得到了广泛的研究,其优越的控制性能已在建筑、桥梁减震中得以验证^[8-11]。其中,黏滞惯质阻尼器(Viscous Inertial Mass Damper,VIMD)是由惯质单元和阻尼单元并联组成,相比于其余惯质阻尼器,其构造更为简单、制造成本更低。减震机制方面,VIMD中的惯质单元通过改变结构的质量矩阵来延长隔震结构周期,惯质并非真实的物理质量,因此,不会增大结构所受地震作用,这是其显著优势;同时,阻尼单元为结构提供附加阻尼,进一步增强减震效果^[12]。数值模拟与振动台试验研究表明:对于中低层基础隔震结构,VIMD可显著减小隔震层位移响应、上部结构层间位移及楼层加速度响应,且优于VD,尤其对于软土场地^[13-15]。VIMD的迅猛发展为提升高层基础隔震结构抗震抗风性能提供了新的途径。

鉴于此,笔者拟开展附加VIMD的20层隔震钢结构模型抗震性能与抗风性能研究。动力特性方面,探讨VIMD惯质系数的增大对结构自振周期的影响;抗震性能方面,选取10条实际地震动并进行调幅使其匹配目标设计谱,研究VIMD对结构地震响应控制特征及减震效果;抗风性能方面,基于达文波特脉动风速谱模型生成10条随机脉动风速时程,研究VIMD对结构风振响应控制特征及减振效果;以期为黏滞惯质阻尼高层基础隔震结构的工程应用提供重要参考依据。

1 高层基础隔震结构-VIMD系统的运动微分方程

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图1为20层高层基础隔震结构-VIMD系统。图1中,m_i、c_i和k_i分别为上部结构第i层的质量、阻尼和刚度;u₁—u₂₀分别为上部结构第1层到第20层相对于隔震层的位移响应;m_b、c_b和k_b分别为隔震层的质量、阻尼和刚度;u_b为隔震层相对于地面的位移响应;m_e和c_d分别为VIMD的惯质系数和阻尼系数;${\ddot{u}}_{g}$为地面运动加速度。

该高层基础隔震结构-VIMD系统的运动微分方程为:

(1)$\boldsymbol M\boldsymbol{ \ddot{u}}+\boldsymbol C \boldsymbol{\dot{u}}+\boldsymbol K \boldsymbol u=\boldsymbol F $

其中,

(2)$ \boldsymbol{M}=\left[\begin{array}{ccccc}\left(m_{\mathrm{b}}+\sum_{i=1}^{20} m_{i}\right)+m_{\mathrm{e}} & m_{1} & m_{2} & \cdots & m_{20} \\m_{1} & m_{1} & 0 & \cdots & 0 \\m_{2} & 0 & m_{2} & \cdots & 0 \\\vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\m_{20} & 0 & 0 & \cdots & m_{20}\end{array}\right]$

(3)$\boldsymbol{C}=\left[\begin{array}{ccccc}c_{\mathrm{b}}+c_{\mathrm{d}} & 0 & 0 & \cdots & 0 \\0 & c_{1}+c_{2} & -c_{2} & \cdots & 0 \\0 & -c_{2} & c_{2}+c_{3} & \cdots & 0 \\\vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\0 & 0 & 0 & \cdots & c_{20}\end{array}\right] $

(4)$\boldsymbol{K}=\left[\begin{array}{ccccc}k_{\mathrm{b}} & 0 & 0 & \cdots & 0 \\0 & k_{1}+k_{2} & -k_{2} & \cdots & 0 \\0 & -k_{2} & k_{2}+k_{3} & \cdots & 0 \\\vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\0 & 0 & 0 & \cdots & k_{20}\end{array}\right], \boldsymbol{u}=\left[\begin{array}{c}u_{\mathrm{b}} \\u_{1} \\u_{2} \\\vdots \\u_{20}\end{array}\right] $

(5)$\boldsymbol{F}=\left\{\begin{array}{c}-\left[m_{\mathrm{b}}+\sum_{i=1}^{20} m_{i}, m_{1}, m_{2}, \cdots, m_{20}\right]^{\mathrm{T}} \ddot{u}_{\mathrm{g}}, \text { 地震激励 } \\{\left[f_{1}+f_{2}+\cdots+f_{20}, f_{1}, f_{2}, \cdots, f_{20}\right]^{\mathrm{T}}, \text { 风荷载 }}\end{array}\right. $

式中f₁~f₂₀分别为上部结构第1层到第20层的脉动风荷载作用力。

选用20层钢结构模型作为高层基础隔震结构-VIMD系统的上部结构^[16],其具体参数可见表1。高层基础隔震结构隔震前的基本周期为3.51s,隔震后的基本周期为4.51s,上部结构的阻尼采用瑞雷阻尼。

2 惯质对高层基础隔震结构-VIMD系统自振周期的影响

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定义VIMD的惯质比μ和阻尼比$\xi $分别为:

(6)$\mu=\frac{m_{\mathrm{e}}}{m_{\mathrm{b}}+\sum_{i=1}^{20} m_{i}} $

(7)$\xi=\frac{c_{\mathrm{d}}}{2\left(m_{\mathrm{b}}+\sum_{i=1}^{20} m_{i}\right) \omega_{\mathrm{b}}} $

式中ω_b为高层基础隔震结构的一阶频率。

考虑工程实际,VIMD惯质比μ的取值范围为[0,1],阻尼比ξ的取值范围为[0,0.5]。图2为高层基础隔震结构-VIMD系统自振周期随惯质比增大的变化特征。从图2可以看出,VIMD可进一步延长高层基础隔震结构-VIMD系统的自振周期,且主要在于前6阶,对6阶以后的周期基本无影响。表2对比了高层固支结构、高层基础隔震结构、高层基础隔震结构-VIMD系统的前6阶自振周期。当μ=1时,高层基础隔震结构-VIMD系统的一阶周期是高层固支结构的1.47倍。

3 高层基础隔震结构-VIMD系统抗震性能分析

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3.1 实际地震动的选取

考虑该高层基础隔震结构抗震设防烈度为8度(0.3g,g为重力加速度),场地类别为Ⅱ类场地,设计地震分组为第3组。根据《建筑抗震设计规范》^[17],该高层基础隔震结构在罕遇地震作用下的地震影响系数曲线的相关参数为:水平地震影响系数最大值α_max=1.20,特征周期值T_g=0.5 s,曲线下降段的衰减系数γ=0.942,直线下降段的下降斜率调整系数η₁=0.024,阻尼调整系数η₂=1.156。

从太平洋地震工程研究中心选取10条实际地震动作为时程分析的输入,根据文献[17]中地震加速度时程曲线的最大值规定,调幅所选地震动最大值,使其更接近于目标设计反应谱。图3为标准的文献[17]中设计反应谱、实际地震动加速度反应谱及其平均加速度反应谱。可以看到,所选地震动的平均加速度反应谱与设计反应谱接近,且在基本周期处重合。调幅后的实际地震动详细信息见表3。

3.2 地震响应分析

高层基础隔震结构的性能控制目标为:①上部结构峰值层间位移响应J₁;②上部结构峰值绝对加速度响应J₂;③隔震层峰值相对位移响应J₃。各个控制目标相应的减震率定义如下:

(8)$J_{1}=1-\frac{\max \left(\max \left(\left|u_{1}\right|\right), \max \left(\left|u_{2}-u_{1}\right|\right), \max \left(\left|u_{3}-u_{2}\right|\right), \cdots, \max \left(\left|u_{20}-u_{19}\right|\right)\right)}{u_{\mathrm{s} 0}}$

(9)$J_{2}=1-\frac{\max \left(\max \left(\left|\ddot{u}_{\mathrm{b}}+\ddot{u}_{1}+\ddot{u}_{\mathrm{g}}\right|\right), \max \left(\left|\ddot{u}_{\mathrm{b}}+\ddot{u}_{2}+\ddot{u}_{\mathrm{g}}\right|\right), \cdots, \max \left(\left|\ddot{u}_{\mathrm{b}}+\ddot{u}_{20}+\ddot{u}_{\mathrm{g}}\right|\right)\right)}{\ddot{u}_{\mathrm{s} 0}}$

(10)$J_{3}=1-\frac{\max \left(\left|u_{\mathrm{b}}\right|\right)}{u_{\mathrm{b} 0}}$

式中u_s0、ü_s0和u_b0分别为无阻尼器时高层基础隔震结构的上部结构峰值层间位移响应、上部结构峰值绝对加速度响应和隔震层峰值相对位移响应。

图4为实际地震动下,VIMD参数变化对高层基础隔震结构地震响应控制效果的影响特征。从图4a可以看出,对于上部结构峰值层间位移响应,惯质比的影响较阻尼比更为显著,且存在一组最优VIMD参数可使该响应最小化。当$\mu =0.74,\xi =0.16$时,上部结构峰值层间位移响应的减震率达到最大,其值为43.9%。从图4b可以看出,随着VIMD的惯质比和阻尼比增大,上部结构峰值绝对加速度响应的变化趋势与峰值层间位移响应较为相似。当$\mu =0.31,\xi =0.18$时,VIMD达到最优的控制效果,其减震率为35.0%。从图4c可以看出,隔震层峰值相对位移响应的减震率受阻尼比控制,其最大减震率可达41.3%。表4为实际地震动下VIMD和VD对高层基础隔震结构响应的减震率。两者对隔震层位移响应的控制效果相当,但当以上部结构地震响应为控制目标时,VIMD比VD在减震率上可提升19.5%~24.5%。

4 高层基础隔震结构-VIMD系统抗风性能分析

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4.1 脉动风速时程的生成

脉动风速谱采用达文波特谱^[18],其表达式为:

(11)$\begin{array}{c}S_{v_{\mathrm{D}}}(\omega)=4 K \bar{v}_{10}^{2} \frac{f_{1}^{2}}{\omega\left(1+f_{1}^{2}\right)^{4 / 3}}, \\f_{1}=\frac{c_{1} \omega}{\pi \bar{v}_{10}}\end{array}$

式中:${\stackrel{-}{v}}_{10}$为10m处的平均风速,取${\stackrel{-}{v}}_{10}$=30m/s;ω为脉动风速频率;K为与地面状况相关的参数,取K=0.03,对应于市镇地面状况;c₁为常数,取600 m。

采用谱表示法生成模拟脉动风速时程^[19]。定义空间直角坐标系O-xyz,x轴为顺风向,y轴为横风向,z轴为竖向。选取的脉动风速谱与高度无关,对于风场中空间坐标分别为(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)的2个点i和j,其脉动风速的互功率谱密度为:

(12)$S_{v_{i} v_{j}}(\omega)=\sqrt{S_{v_{i} v_{i}}\left(\omega, z_{i}\right) S_{v_{j} v_{j}}\left(\omega, z_{j}\right)} \gamma_{i j}(\omega)$

式中:S_{v_iv_i}(ω,z_i)和S_{v_jv_j}(ω,z_j)分别为i点和j点处脉动风速的自功率谱;γ_ij(ω)为经验相干函数。其表达式为^[20]:

(13)$\gamma_{i j}(\omega)=\exp \left\{-\frac{\omega}{2 \pi} \frac{\left[C_{x}^{2}\left(x_{i}-x_{j}\right)^{2}+C_{z}^{2}\left(z_{i}-z_{j}\right)^{2}\right]^{1 / 2}}{\bar{v}_{10}}\right\}$

式中:(x_i,z_i)和(x_j,z_j)分别为迎风面上的2点坐标;C_x和C_z为衰减系数,由经验确定,通常取C_x=16,C_z=10。采用柯列斯基分解脉动风场的互功率谱密度矩阵,脉动风速时程可通过快速傅里叶变换生成。脉动风速时程的持时为327.66s,时间间隔为0.02s。

图5为高层基础隔震结构第7层处的脉动风速时程曲线及其功率谱密度和达文波特谱的对比,从图5可以看出,模拟风速的功率谱密度与达文波特目标谱在走势上一致,这验证了所生成脉动风速时程的正确性。

4.2 风振响应分析

高层基础隔震结构第i层处顺风向脉动风荷载作用力的表达式为:

(14)$F_{i}=\frac{1}{2} \rho \nu^{2} \mu_{D} B \Delta h$

式中:ρ为空气密度,取ρ=1.25 kg/m³;ν为脉动风速;μ_D为阻力系数,取μ_D=1.4;B和Δh分别为高层基础隔震结构模型的宽度和层高,取B=30.48 m。

图6为风荷载下,VIMD参数变化对高层基础隔震结构风振响应控制效果的影响特征。从图6a和图6b可以看出,对于上部结构峰值层间位移响应和绝对加速度响应,阻尼比的影响显著大于惯质比。存在一组最优VIMD参数能使上述响应最小化,其减振率分别为20.2%和23.9%。由图6c可知:隔震层峰值相对位移响应的减振效果由阻尼比控制,其最大减振率为30.3%。表5为风荷载下VIMD和VD对高层基础隔震结构响应的减振率。VIMD在风振响应控制中并未展现出显著优于VD的性能,仅在上部结构峰值绝对加速度响应的控制效果上较VD可提升1.5%。

5 结论

收起

1) VIMD可进一步延长高层基础隔震结构模型的自振周期,且主要在前6阶,对6阶以后的周期基本无影响。

2) 在地震激励下,VIMD的惯质比对高层基础隔震结构上部结构响应的影响显著大于阻尼比,存在一组最优阻尼器参数可使该响应最小化,而隔震层峰值相对位移响应的减震率受阻尼比控制。最优VIMD对隔震层峰值相对位移响应、上部结构峰值层间位移响应和绝对加速度响应的减震率分别可达41.3%、43.9%和35.0%。VIMD和VD对隔震层位移响应的控制效果相当,但当以上部结构地震响应为控制目标时,VIMD比VD在减震率上可提升19.5%~24.5%。

3) 在风荷载下,VIMD的阻尼比对高层基础隔震结构峰值响应的影响显著大于惯质比,尤其对于隔震层峰值相对位移响应。最优VIMD对隔震层峰值相对位移响应、上部结构峰值层间位移响应和绝对加速度响应的减振率分别可达30.3%、20.2%和23.9%。但VIMD在风振响应控制中并未展现出相对于VD的性能优势,前者仅在上部结构峰值绝对加速度响应的控制效果上较后者可提升1.5%。

4) VIMD能有效抑制高层基础隔震结构的地震和风振响应。需指出的是,虽然地震和强风同时发生的概率相对较低,但一旦同时发生,2种灾害的耦合效应对结构造成的破坏可能会远大于2种灾害结果的简单叠加。因此,未来有必要开展地震和强风耦合作用下,VIMD对高层基础隔震结构动力响应的控制机理和性能研究。

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2026年第36卷第5期

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doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.05.1355

接收时间：2025-12-14
首发时间：2026-06-26
出版时间：2026-05-28

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收稿日期：2025-12-14
修回日期：2026-02-22

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作者信息

¹ 武汉理工大学中国应急管理研究中心, 湖北武汉 430070

² 青海大学地质工程学院, 青海西宁 810016

通讯作者:

^** 宋英华(1962—),男,湖北武汉人,博士,教授,主要从事公共安全与应急管理方面的研究。E-mail: song6688c@163.com。

参考文献

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

楼层	高度/ m	质量/ kg	弹性剪切刚度/(kN/m)	阻尼系数/ (kN·s/m)
20	3.96	1.170×10⁶	171.70×10³	上部结构阻尼比:3%
18—19	3.96	1.100×10⁶	256.46×10³
15—17	3.96	1.100×10⁶	291.23×10³
12—14	3.96	1.100×10⁶	453.51×10³
6—11	3.96	1.100×10⁶	554.17×10³
2—5	3.96	1.100×10⁶	862.07×10³
1	5.49	1.126×10⁶	862.07×10³
隔震层	-	5.524×10⁶	103.80×10³	3.85×10³

楼层

高度/
m

质量/
kg

弹性剪切刚
度/(kN/m)

阻尼系数/
(kN·s/m)

3.96

1.170×10⁶

171.70×10³

上部结
构阻尼
比:3%

18—19

3.96

1.100×10⁶

256.46×10³

15—17

3.96

1.100×10⁶

291.23×10³

12—14

3.96

1.100×10⁶

453.51×10³

6—11

3.96

1.100×10⁶

554.17×10³

2—5

3.96

1.100×10⁶

862.07×10³

5.49

1.126×10⁶

862.07×10³

隔震层

5.524×10⁶

103.80×10³

3.85×10³

阶次	1	2	3	4	5	6
固支结构	3.51	1.35	0.81	0.60	0.48	0.39
基础隔震结构	4.51	1.81	1.10	0.74	0.57	0.46
基础隔震结构- VIMD系统 (μ=0.5)	4.81	2.30	1.26	0.79	0.59	0.47
基础隔震结构- VIMD系统 (μ=1)	5.15	2.64	1.30	0.80	0.60	0.48

阶次

固支结构

3.51

1.35

0.81

0.60

0.48

0.39

基础隔震结构

4.51

1.81

1.10

0.74

0.57

0.46

基础隔震结构-
VIMD系统
(μ=0.5)

4.81

2.30

1.26

0.79

0.59

0.47

基础隔震结构-
VIMD系统
(μ=1)

5.15

2.64

1.30

0.80

0.60

0.48

序列号	地震动名称	年份	震级	分量	调幅后的峰值加速度/(cm/s²)
RSN-161	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-BRA225	3.12
RSN-173	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-E10050	3.12
RSN-181	Imperial Valley-06	1979	6.53	H-E06230	3.37
RSN-1158	Kocaeli, Turkey	1999	7.51	DZC180	4.97
RSN-1529	Chi-Chi, Taiwan	1999	7.62	TCU102-E	3.21
RSN-2457	Chi-Chi, Taiwan-03	1999	6.2	CHY024E	4.86
RSN-3744	Cape Mendocino	1992	7.01	BNH270	2.66
RSN-6942	Darfield, New Zealand	2010	7.0	NNBSS13E	3.41
RSN-6966	Darfield, New Zealand	2010	7.0	SHLCS40W	3.65
RSN-8130	Christchurch, New Zealand	2011	6.2	SHLCS40W	5.10

序列号

地震动名称

年份

震级

分量

调幅后的峰值
加速度/(cm/s²)

RSN-161

Imperial Valley-06

1979

6.53

H-BRA225

3.12

RSN-173

Imperial Valley-06

1979

6.53

H-E10050

3.12

RSN-181

Imperial Valley-06

1979

6.53

H-E06230

3.37

RSN-1158

Kocaeli, Turkey

1999

7.51

DZC180

4.97

RSN-1529

Chi-Chi, Taiwan

1999

7.62

TCU102-E

3.21

RSN-2457

Chi-Chi, Taiwan-03

1999

6.2

CHY024E

4.86

RSN-3744

Cape Mendocino

1992

7.01

BNH270

2.66

RSN-6942

Darfield, New Zealand

2010

7.0

NNBSS13E

3.41

RSN-6966

Darfield, New Zealand

2010

7.0

SHLCS40W

3.65

RSN-8130

Christchurch, New Zealand

2011

6.2

SHLCS40W

5.10

性能指标	VD	VIMD
J₁	$\xi =0.48$	19.4	$\mu =0.74,\xi =0.16$	43.9
J₂	$\xi =0.36$	15.5	$\mu =0.31,\xi =0.18$	35.0
J₃	$\xi =0.5$	41.3	$\mu =0,\xi =0.5$	41.3

性能
指标

VIMD

最优参数

减震
率/%

最优参数

减震
率/%

J₁

$\xi =0.48$

19.4

$\mu =0.74,\xi =0.16$

43.9

J₂

$\xi =0.36$

15.5

$\mu =0.31,\xi =0.18$

35.0

J₃

$\xi =0.5$

41.3

$\mu =0,\xi =0.5$

41.3

性能指标	VD	VIMD
J₁	$\xi =0.5$	20.2	$\mu =0.01,\xi =0.5$	20.2
J₂	$\xi =0.5$	22.4	$\mu =0.61,\xi =0.5$	23.9
J₃	$\xi =0.5$	30.3	$\mu =0,\xi =0.5$	30.3

性能
指标

VIMD

最优参数

减震
率/%

最优参数

减震
率/%

J₁

$\xi =0.5$

20.2

$\mu =0.01,\xi =0.5$

20.2

J₂

$\xi =0.5$

22.4

$\mu =0.61,\xi =0.5$

23.9

J₃

$\xi =0.5$

30.3

$\mu =0,\xi =0.5$

30.3