鉛心型橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的豎向地震反應(yīng)分析與研究

陳曉城

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510641)

基礎(chǔ)隔震技術(shù)為建筑結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害提供了一種行之有效的全新方法，抵御水平向地震作用的基礎(chǔ)隔震技術(shù)已進(jìn)入工程實(shí)用階段［1］。目前基礎(chǔ)隔震技術(shù)主要解決了水平向的地震減震問(wèn)題，這方面國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用都比較多，并且有實(shí)際工程經(jīng)受了地震考驗(yàn)，表現(xiàn)出良好隔離地震水平作用的效果。但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)隔震層不能夠提供豎直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就是豎向的剛度比較大，因而無(wú)法起到隔離豎向地震能量的作用［2］。筆者通過(guò)對(duì)鉛心型橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下的分析，研究隔震前后結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

1 計(jì)算力學(xué)模型

本文采用空間三維空間有限元模型對(duì)鉛心型橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，采用彈性時(shí)程分析結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，可以建立豎向地震作用下豎向隔震結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程［3］:

2 工程實(shí)例與分析

2.1 工程概況

本工程為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度為31.5 m，底層的柱網(wǎng)布置圖如圖1所示，每層層高均為4.0 m。該結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件尺寸:各層柱子截面都采用450 mm×450 mm，梁截面都采用250 mm×400 mm;該結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，彈性模量E=3.0×1010N/m2，密度為2 700 kg/m3。地震作用設(shè)防烈度為8度(0.3 g)，乙類(lèi)建筑，考慮在各種場(chǎng)地類(lèi)別下的地震作用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載的大小以及建筑抗震規(guī)范規(guī)定的乙類(lèi)建筑橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值，選用汕頭華泰隔震器材有限公司生產(chǎn)的鉛心型橡膠隔震支座LRB 400，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 底層柱網(wǎng)布置

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2.2 地震波選用

為了反映各場(chǎng)地條件的影響，本工程選用了分別代表四種類(lèi)型場(chǎng)地的典型地震波，并考慮建筑抗震規(guī)范的規(guī)定［4］，對(duì)地震波的加速度峰值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，本工程輸入的地震加速度時(shí)程曲線的持續(xù)時(shí)間都取為7 s。本工程只考慮豎向地震的作用，也就是只是輸入豎向地震波，分別考慮各地震波在非隔震與隔震情況下的反應(yīng)。

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2.3 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

通過(guò)ANSYS進(jìn)行三維有限元的分析，得到非隔震與隔震結(jié)構(gòu)的自振周期，由表3可以分析得到通過(guò)在基礎(chǔ)加橡膠隔震層，可以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，從而使結(jié)構(gòu)變得具有一定的柔性，這是由于隔震層的水平剛度較小的原因引起的。通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，可以避開(kāi)地震的卓越周期，使地震的能量消耗在隔震層上，從而減少地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用。

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2.4 底層柱軸力

軸壓比是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)指標(biāo)，通過(guò)控制軸壓比可以控制柱的延性，避免在地震作用下，形成脆性破壞。結(jié)構(gòu)在各豎向地震波作用下，通過(guò)計(jì)算可得到結(jié)構(gòu)底層各柱的最大軸力(見(jiàn)表4)?？梢钥闯觯髦S力都有不同程度的增大，軸壓比也隨著增大，鉛芯橡膠隔震支座使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)增大，這是由于隔震層的豎向剛度約為水平剛度的1500～2500倍引起的，它相當(dāng)于柱子的剛度，所以鉛芯橡膠隔震層不能隔離豎向地震能量，在有些情況下反而有可能放大了地震的影響。其中角柱的軸力增加最大，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意角柱的軸壓比問(wèn)題。從表中還能夠看到豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響隨著場(chǎng)地類(lèi)別變化的，但是相差不大。

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2.5 各層剪力

通過(guò)分析各地震波作用下，各層的層間剪力，可以得到隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力比非隔震有大幅度的增大，尤其是底層(除了隔震層)最大情況可以提高34.4%，所以利用鉛芯橡膠基礎(chǔ)隔震體系進(jìn)行隔震，豎向地震作用有可能使柱子的受剪承載力不足，應(yīng)該引起重視。以上情況主要是由于豎向地震使隔震層的滑動(dòng)受阻，放大結(jié)構(gòu)在地震作用下的效應(yīng)。

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2.6 層間位移

層間位移能夠影響結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)和側(cè)向剛度，由表6可以分析得到，結(jié)構(gòu)隔震后豎向?qū)娱g位移不僅沒(méi)有減少，反而有不同程度的增大，其中底層和頂層增加較大。而結(jié)構(gòu)的水平兩個(gè)方向的層間位移角卻基本上不變，也就是隔震層放大了豎向地震的反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的安全度減低。

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3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與鉛芯橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向地震作用下的對(duì)比分析研究，得到以下的結(jié)論與建議。

(1)隔震后結(jié)構(gòu)的底層柱軸力、層間剪力、層間位移等比隔震前有不同程度的增大，其中層間剪力與柱子軸力增加較多，表明了鉛芯橡膠基礎(chǔ)隔震支座不能夠減少豎向地震能量的輸入，反而起到增大作用。

(2)從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，針對(duì)不同場(chǎng)地類(lèi)別的豎向地震波，隔震支座都是不能夠起到隔震目的;各波的特性不一樣，雖然計(jì)算的結(jié)果差別不是很大，但是可以分析出，結(jié)構(gòu)反應(yīng)隨著場(chǎng)地類(lèi)別的改變，豎向地震作用的放大系數(shù)有一定的區(qū)別，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要注意不同的場(chǎng)地，豎向地震對(duì)結(jié)構(gòu)影響大小不同。

(3)在基礎(chǔ)設(shè)置鉛芯橡膠隔震層能夠使結(jié)構(gòu)的自振周期延長(zhǎng)，避開(kāi)場(chǎng)地的卓越周期;但是從底層柱軸力、層間剪力、層間位移等的分析可以間接得到，隔震延長(zhǎng)的只是結(jié)構(gòu)的水平周期，而豎向周期幾乎不變，在有些情況下，還有可能使結(jié)構(gòu)的豎向周期縮短，增大豎向地震能量的輸入。

綜上所述，在進(jìn)行鉛芯橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮豎向地震的影響，或者在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)有些構(gòu)件作加強(qiáng)處理，例如底層柱軸力尤其是角柱、邊柱等，讓結(jié)構(gòu)能夠抵抗豎向地震的作用。

［1］王永衛(wèi)，王群偉，杜杰．隔震技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］．山西建筑，2009，35(27):75－76

［2］張玉敏．碟形彈簧豎向隔震裝置的試驗(yàn)研究［D］．河北理工大學(xué)，2005

［3］賈俊峰，歐進(jìn)萍．連續(xù)板橋豎向隔震的彈性時(shí)程分析［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，38(4):463－466

［4］GB 50011－2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］