三維多層框架隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

邢義鋒　歐陽巧琳　曾祥國

[摘要]對某多層框架隔震結(jié)構(gòu)采用三維有限元模型進(jìn)行非線性時(shí)程分析，分析該結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力特性和地震反應(yīng)性能，并與未經(jīng)隔震情況進(jìn)行比較，分析表明：框多層架結(jié)構(gòu)經(jīng)隔振設(shè)計(jì)后的響應(yīng)明顯低于相應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，隔振設(shè)計(jì)引起的工程效果明顯。采用有限元法能夠全面、準(zhǔn)確地反映隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)性能。

[關(guān)鍵詞]框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震響應(yīng)非線性時(shí)程分析

中圖分類號：TU3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210113－01

一、引言

地球每年平均發(fā)生500萬次左右的地震，其中造成災(zāi)害的地震每年發(fā)生十多次[1]。為了減輕建筑的地震破壞，避免人身傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失，土木工程師技術(shù)人員必須對建筑工程進(jìn)行抗震分析和抗震設(shè)計(jì)[2]。傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)是利用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形能力抵抗外來的地震力，主要采取加強(qiáng)建筑物的建筑結(jié)構(gòu)的整體性，增強(qiáng)空間剛度，提高建筑材料的強(qiáng)度，延性等措施。工程結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)是目前工程研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一[3]，比較成熟的是夾層橡膠墊基礎(chǔ)隔震技術(shù)，主要是通過在房屋底部和基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置水平剛度遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)層間剛度的夾層橡膠墊隔震裝置，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系地震時(shí)的自振周期變長，過濾掉地震波中破壞作用較大的中高頻成分，降低上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，確保房屋結(jié)構(gòu)和生命財(cái)產(chǎn)的安全[4]。本文采用ANSYS有限元分析軟件，對某5層鋼筋混凝土框架隔震結(jié)構(gòu)，采用三維有限元模型進(jìn)行了水平地震作用下的非線性時(shí)程分析，驗(yàn)證了隔震結(jié)構(gòu)的有效性和安全性，并與未隔震情況做比較。

二、結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

1．繪制結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，如圖1，圖2所示，圖中單位為mm。主梁截面尺寸：250×600，次梁截面尺寸：250×400，均采用C20混凝土，框架柱截面尺寸：550×550，采用C25混凝土，樓板板厚100，采用C20混凝土。夾層橡膠墊的水平剛度1.52E＋6(KN/mm)，阻尼系數(shù)9.6 E＋4(KNS/mm)，阻尼比為0.13。布置在柱子下部與基礎(chǔ)頂面之間。在分析中，梁和柱均采用SOLIDl86單元，隔震支座采用Combin14單元。

2．在進(jìn)行非線性時(shí)程分析時(shí)，考慮到空間整體結(jié)構(gòu)性能，采用完全法進(jìn)行模態(tài)分析，該方法采用完整的系統(tǒng)矩陣計(jì)算。使得分析效果非常好[5]。

三、結(jié)構(gòu)特性以及地震波

1．未經(jīng)隔震設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)的自振周期為T1＝0.536s，經(jīng)隔震設(shè)計(jì)后自振周期變?yōu)門2＝1.82s。隔震結(jié)構(gòu)的基頻明顯小于抗震結(jié)構(gòu)，自振周期顯著變長，[6]這對于降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是有利的。

2．動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)輸入的地震記錄為IMPERIAL VALLEY EARTHQUAKE-ELCENTRO地震波，加速度峰值為2.82＝/s²，相當(dāng)于8度罕見地震，選取整個(gè)時(shí)間歷程為7.5s，時(shí)間步距為0.02s，如圖3所示。

罕遇地震作用下，計(jì)算框架結(jié)構(gòu)在隔震和未隔震情況動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題，位移時(shí)程反應(yīng)曲線如圖4所示，速度時(shí)程反應(yīng)曲線如圖5所示。從圖4可知，在地震作用下未隔震位移響應(yīng)的最大值為11.5，隔震處理后位移響應(yīng)最大值為3.4，隔震結(jié)構(gòu)的位移要比未做隔震處理時(shí)小的多，減振效果非常明顯，從圖5可知，在地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的速度要比未做隔震處理時(shí)小的多，減振效果非常明顯。其主要原因是在罕遇地震作用下，夾層橡膠墊驅(qū)使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系地震時(shí)的自振周期變長，過濾掉地震波中破壞作用較大的中高頻成分，相應(yīng)大大降低了上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

五、結(jié)束語

本文采用三維有限元模型對某5層鋼筋混凝土框架隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性時(shí)程分析，分析結(jié)果表明：隔震結(jié)構(gòu)能夠顯著降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，該隔震結(jié)構(gòu)按設(shè)防烈度降低1度水平的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是偏于保守的；采用三維桿系有限元模型能夠更全面、準(zhǔn)確地反映隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)性能，分析得出的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力結(jié)果可以直接用于工程設(shè)計(jì)。因此，與傳統(tǒng)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比，有限元分析方法具有較大的優(yōu)越性，在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣和應(yīng)用有限元分析方法對提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋、方便施工、降低工程造價(jià)等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。