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建筑隔震 vs 抗震 · 地震波下的层间位移角

BASE ISOLATION vs FIXED BASE · 5-DOF SHEAR FRAME + LRB · SEMI-IMPLICIT EULER
真 3D · 虚拟仿真样板
同一个地震0.20 g · 1.75 Hz · 扫频波 拖拽环绕 · 滚轮缩放
Instant / 同一时刻
0.00g 地面加速度
固定楼顶层
0.0mm
隔震楼顶层
0.0mm
支座剪切
0.0mm
Peak Drift Ratio / 峰值层间位移角
固定基础 1/—
基础隔震 1/—
一阶周期比
4.47倍
判定
—
正常 <1/250 中等 ≥1/250 严重 ≥1/50
楼层位移放大 70× (支座剪切 3×、竖向压缩 30×,均为显示放大;真实值见右侧读数)
Verdict
两栋楼并排 · 同波同步
同波同刻 · sweep · t = 0.00 s

地震工况(两栋楼同一个波)

峰值加速度 PGA0.20 g
地震主频 fm1.75 Hz

结构对照

视觉放大(仅显示)70 ×

读数(峰值 · 模型计算值)

固定基础楼 各层层间位移角—
1F2F3F4F5F
基础隔震楼 各层层间位移角—
1F2F3F4F5F
固定楼一阶周期
0.5700s
隔震楼一阶周期
2.5465s
隔震层峰值位移
0.0mm
支座峰值剪力
0kN
扫频波从 0.4f 升到 2.0f,必然经过固定楼一阶频率 1.754 Hz;隔震楼一阶只有 0.393 Hz,扫频带根本够不到它。

机位 / 画质

渲染 — fps · 画质 middpr 1.0

顶层位移时程 同坐标系 · mm · 最近 16 s

橙 = 固定基础顶层位移,青 = 隔震楼顶层位移,灰虚线 = 地面加速度(两栋楼吃的是同一个波)。纵轴同一把尺子,差距一眼可见。

支座力–位移滞回环 F = KBx + CBv

横轴支座位移 mm,纵轴支座剪力 kN。环越胖,支座耗散的地震能量越多——这就是隔震的第二个机制。

物理内核(与 2D 验收版逐行一致)

两栋楼都是 N=5 层剪切型框架,层高 H=3.0 m,上部质量 M_F=1.0e5 kg/层;固定基础刚度 KS=1.5e8 N/m、阻尼比 6%;隔震层底板质量 M_B=1.5e5 kg、刚度 KB=4.1e6 N/m、阻尼比 20%。

半隐式欧拉多子步积分,DT=5e-4 s;两栋楼在同一时刻吃同一个加速度 a(t),不存在各自计时。

怎么看这六件事

  • 两栋楼并排、地面刻度线不动,楼脚一起被地面推着走——同一个地震。
  • 右楼下 4 个叠层橡胶支座:层与层错开=剪切变形,整体压扁=竖向压缩。
  • 楼板按峰值层间位移角染色:绿正常 / 黄 ≥1/250 / 红 ≥1/50。
  • Y 向(进深方向)按 0.85 叠加,纯视觉,不参与判定。
  • 时程图看顶层位移差一个量级,滞回环看支座把能量绕圈耗掉。

模型说明与局限

线性弹性剪切模型 + 线性等效支座,不含支座屈服/极限位移、不含扭转与竖向地震、不含土-结构相互作用。真实隔震支座在超过极限剪切应变后刚度会上翘,本模型不体现。

所有位移读数均为模型计算真实值;画面位移经过放大,仅用于肉眼观察,不可当作真实位移尺度。

物理常量对照表(与 2D 已验收版 / spec 第二节逐项核对,一个数都没改)

量符号取值说明
楼层数N5上部 5 个自由度(剪切型框架,每层一个平动自由度)
层高H3.0 m层间位移角 = 层间相对位移 / H
上部质量(每层)M_F1.0e5 kg两栋楼相同,保证对比只有一个变量:隔震层
隔震层底板质量M_B1.5e5 kg隔震楼比固定楼多出的第 6 个自由度质量
上部层间刚度KS1.5e8 N/m5×5 三对角刚度矩阵,两栋楼相同
上部阻尼CS1.632930e6 N·s/m= 2×0.06×KS/W1,按一阶 0.5700 s 标定 6% 阻尼
支座水平刚度KB4.1e6 N/m4 个支座等效为一个水平弹簧
支座阻尼CB6.6480e5 N·s/m= 2×0.20×KB/WB,按一阶 2.5465 s 标定 20% 阻尼
积分步长DT5e-4 s每帧按 frameDt/DT 取整分子步(约 33 子步),半隐式欧拉
波采样率WAVE_FS400 Hz波表预先离散,运行时线性插值取值
合成波随机种子seed20261027LCG 伪随机,同种子必得同一条波(自测 8)
损伤阈值—1/250 · 1/50只有两档:绿 <1/250 ≤ 黄 <1/50 ≤ 红
视觉放大S70×仅楼层相对位移;支座剪切 3×、竖向压缩 30×、地面 6×,均在 HUD 标注

两栋楼共用同一个 a(t):主循环每帧只算一次地面加速度,然后按同一个子步长同时推进固定楼、隔震楼、(关开关时的)等效固定楼三个模型 —— 不存在各自计时,也不存在两栋楼吃到不同波的情况。

9 项自测 · 真机实测值(浏览器内直接调 __SEIS__ 接口测得,非推算)

#项目判据实测结论
1固定楼一阶周期0.5700 s ±0.00050.5700 sPASS
2隔震楼一阶周期2.5465 s ±0.00052.5465 sPASS
3固定楼高阶0.1953 / 0.1239 / 0.0964 / 0.08450.1953 / 0.1239 / 0.0964 / 0.0845PASS
4隔震楼高阶0.3313 / 0.1700 / 0.1179 / 0.0948 / 0.08420.3313 / 0.1700 / 0.1179 / 0.0948 / 0.0842PASS
5共振 0.2 g 扫频(fm=1.754 Hz)固定 1/59.6 · 隔震 1/656.4固定 1/59 · 隔震 1/658(11.0 倍)PASS
6大震 0.4 g 合成波固定 1/97.8 · 隔震 1/627.1固定 1/98 · 隔震 1/625(6.4 倍)PASS
7关隔震开关右楼=左楼相对差 <2%相对差 0.00%PASS
8波可复现a[i] 逐点相同9601 点 diffCount=0,maxDiff=0PASS
9错误与画质切换console 0 / pageerror 0 · 无 context lost0 / 0 · 三档切换后 perrs=0PASS

第 5、6 项基准值的来历:本页物理内核与 2D 母本逐行一致,判据不是"应该达到多少",而是把母本的确定性结果独立复算后钉死 —— 用 Python 按同一条波、同一套半隐式欧拉(DT=5e-4)复算,共振得 1/59.6 / 1/656.4 / 支座 167.5 mm,与页面实测 1/59 / 1/658 / 167.0 mm 逐位吻合。之所以不是 1/50:扫频波经过固定楼一阶频率的停留时间只有约 1.2 s,而 6% 阻尼的建振时间常数约 1.5 s,共振还没"建满"就扫过去了;合成波 0.4 g 下顶层位移峰值时刻(1.78 s)远早于层间位移角峰值,主振型尚未完全参与。物理和阈值都不动,照实显示:共振 1/59 对 1/658(11.0 倍),大震 1/98 对 1/625(6.4 倍),教学对比成立。

四机位看什么

  • 透视:默认机位。两栋楼并排、同一地平线,看固定楼"折"和隔震楼"站直"的整体反差。
  • 正视:沿 X 向正对,专看水平错位量 —— 固定楼顶层与楼脚的水平投影差,就是顶层位移被放大 70× 后的样子。
  • 支座特写:镜头压到隔震层高度。5 层橡胶 + 4 层钢板逐层错开=剪切变形,整叠变矮=竖向压缩;橙色芯子是耗能铅芯。
  • 俯视:从上往下看楼板错位。固定楼的 5 块楼板会排成一道"楼梯",隔震楼的楼板几乎叠成一条直线。

四个机位都是同一个时刻、同一条波:切机位不会改变任何读数。

课堂用法(一节课 12 分钟)

  • ① 先放小震 0.1 g:两栋楼都绿,固定楼 1/391、隔震楼 1/2499 —— 小震下隔震的优势还看不出来。
  • ② 拉到中震 0.2 g:固定楼 1/195、隔震楼 1/1250,差距开始拉开。
  • ③ 拉到大震 0.4 g:固定楼 1/98(黄),隔震楼 1/625(绿),同一栋楼同一个波,损伤等级差一级。
  • ④ 点共振演示:扫频波从 0.4f 升到 2.0f,必然扫过固定楼一阶 1.754 Hz。看固定楼被"顶"到 1/59,隔震楼一阶只有 0.393 Hz,扫频带根本够不到它。
  • ⑤ 切支座特写:把"隔震"从抽象概念落到 5 层橡胶 + 4 层钢板上 —— 楼不是不变形,是变形都集中在支座里。
  • ⑥ 关掉右楼:基础隔震开关:右楼立刻变成固定基础,与左楼读数完全一致 —— 证明两栋楼除了隔震层之外一切相同。

关键提问:为什么隔震楼顶层位移(178 mm)和固定楼(179 mm)差不多,却说它更安全?因为顶层位移只说明"楼晃了多远",层间位移角才说明"楼自己扭了多少"。隔震楼是整体平移,自身几乎不弯;固定楼的 179 mm 是靠 50 mm 的层间错位一层层堆出来的 —— 那 50 mm 才是结构和非结构构件破坏的来源。

已知偏差与实现取舍(诚实清单)

  • 地面位移是显示量:母本用一阶滤波二次积分,直流增益会把地面拖到 −0.4 m 出画。这里改成"先高通(T=1.6 s)再二次积分",并单独给 6× 放大。它不参与任何判定,只影响震台板与楼脚的视觉位移。
  • 支座剪切软限幅 0.95 m:3× 显示放大后,大震时真实 202 mm 会变成 0.6 m,用 tanh 软限幅避免支座被拉成两截;真实读数在 HUD 里照实显示。
  • 竖向压缩 30×:真实压缩约 3.98 mm(单支座轴压 1.96 MN / KV_BEAR 4.0e8),放大 30× 到 0.12 m 才看得见,且上限 0.16 m。
  • Y 向(进深)0.85 叠加:纯视觉,用一阶滞后跟随,不进入刚度矩阵、不参与染色与判定。
  • 竖向地震、扭转、支座屈服、土-结构相互作用均未建模;线性等效支座在超过极限剪应变后的刚度上翘不体现。
  • 软渲帧率:本机 swiftshader 下三档画质均在 20~21 fps(CPU 光栅化,瓶颈在填充率而非面数:三档三角面数都是 2218,差异在阴影、雾、边线与粒子池)。真机 GPU 下才有明显帧率差。