層間隔震地震響應(yīng)分析

張 彬，蘇 鵬，于冬冬

(遼寧工程技術(shù)大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000)

0 引言

在已有的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和研究中，傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法的不確定性將帶來不可預(yù)測的風險。傳統(tǒng)抗震技術(shù)有著很多的不足，所以人們開始對結(jié)構(gòu)的隔震、減震進行較為深入的研究，因此一種新的工抗震結(jié)構(gòu)體系概念和機理應(yīng)時而生。層間隔震結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋蟛糠值卣鹉芰课?，在隔震層結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生大量的形變，并較少的能量傳遞給結(jié)構(gòu)，能夠起到保護建筑結(jié)構(gòu)的作用，并且能夠有效的加固了建筑，使建筑物損壞程度降低，這使得層間隔震框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展更加迅速應(yīng)用更加廣泛。大量工程實踐證明，工程結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計是工程結(jié)構(gòu)減震防災(zāi)的有效手段。

1 層間隔震模型

層間隔震動力分析計算模型［1-3］:

(1)兩質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型。兩質(zhì)點模型是把相對于隔震層之上的結(jié)構(gòu)和相對于隔震層以下的結(jié)構(gòu)簡化為一個質(zhì)點，這樣就可以得到兩質(zhì)點的計算結(jié)構(gòu)模型。兩質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型形式比較簡單，適用于結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析。

(2)三質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型。三質(zhì)點模型是將相對于隔震層以上的結(jié)構(gòu)和相對于隔震層本身以及相對隔震層以下的結(jié)構(gòu)分別簡化，作為一個質(zhì)點，進而得出三個質(zhì)點的計算結(jié)構(gòu)模型。

(3)多質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型。多質(zhì)點模型是把整體結(jié)構(gòu)的每一層視為一個質(zhì)點，進而得到多個質(zhì)點計算結(jié)構(gòu)模型。多質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型能夠比較直觀并且相對準確地反映出整體結(jié)構(gòu)的地震反映，多質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型在層間隔震的結(jié)構(gòu)設(shè)計中相對比較適用，更特別適用于整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力時程分析。

橡膠支座的豎向剛度在地震作用的情況下遠遠大于橡膠支座的水平剛度，因此可以見到的假設(shè)結(jié)構(gòu)只作水平運動，進而可以忽略不計結(jié)構(gòu)的豎向剛度所引起的擺動。在工程實踐中，多質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型和兩質(zhì)點結(jié)構(gòu)模型的簡化如圖1所示。

圖1 多質(zhì)點和兩質(zhì)點的簡化模型Fig.1 Simplified model of multi particle and two particle

層間隔震結(jié)構(gòu)以隔震層作為整體結(jié)構(gòu)的分界線，將整體結(jié)構(gòu)分為上下2個子結(jié)構(gòu)(圖2)。設(shè){X1}為整體結(jié)構(gòu)的下部子結(jié)構(gòu)的位移，{X2}作為整體結(jié)構(gòu)的上部子結(jié)構(gòu)的位移，xs作為下部子結(jié)構(gòu)的頂層位移，xb作為上部子結(jié)構(gòu)的底層位移，結(jié)構(gòu)1的位移矢量為。

圖2 結(jié)構(gòu)計算簡圖Fig.2 Calculation diagram of structural

2 地震波的調(diào)整

在選取地震波時，需要考慮三個地震動的要素，并對這三個要素進行調(diào)整，根據(jù)場地的具體情況對所選取的地震波進行調(diào)整。

根據(jù)《抗震規(guī)范》，地震記錄中所進行的調(diào)解峰值得出的地震動的最大加速度時程按表1選用［4］。

表1 加速度峰值的地震時程曲線(cm/s2)Table 1 Seismic peak acceleration time curve(cm/s2)

(2)地震動的譜特征。在強烈的地震作用下，場地的地表面運動的卓越周期相對來說比較接近該場地的特征周期，所以，在選取地震波時，地震波的傅里葉譜、特征周期和譜形狀要與所選場地的譜特征保持一致。

場地的特征周期的選用(表2)。

表2 特征周期表(s)Table 2 Characteristics Periodic Table(s)

圖3 調(diào)整后地震波的加速度時程曲線Fig.3 Adjusted seismic acceleration time curve

(3)地震動的持續(xù)時間。在選取的地震動持續(xù)時間時要遵循兩個原則:①記錄中最強的部分必須包括在所選擇的持續(xù)時間中;②持續(xù)的時間為t≥10T1，T1是結(jié)構(gòu)基本周期，其數(shù)值不能小于12s。

本文選用EL-Centro波和Taft波(圖3)，這將此兩種地震波作用于二類場地，符合要求。

3 計算模型

采用SAP2000有限元軟件，模擬一個五層的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，分別在結(jié)構(gòu)的不同位置建立五個隔震層的結(jié)構(gòu)計算模型和一個普通結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)模型，對設(shè)置有層間隔震的結(jié)構(gòu)計算模型和普通的抗震結(jié)構(gòu)模型進行模態(tài)分析，比較分析在設(shè)置不同位置隔震層時，對振型周期和參考系數(shù)的影響(圖4)。

圖4 三維結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Three-dimensional structural model

3.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

通過SAP2000的軟件的模擬分析，在前兩階模態(tài)下普通抗震結(jié)構(gòu)的振型為下部結(jié)構(gòu)有較小的變形，然而上部變形則相對較大。在前兩階段模態(tài)下，層間隔震結(jié)構(gòu)的振型主要是兩個水平方向的平移，在隔震層之上的結(jié)構(gòu)近似整體平移，第三階模態(tài)的振型則主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)。

假設(shè)mu為隔震層以上的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，md為隔震層以下的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，μ=mu/md為質(zhì)量比。根據(jù)質(zhì)量比得出結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律:當在一層柱底設(shè)置隔震層時，質(zhì)量比則為無窮大，普通抗震結(jié)構(gòu)則認為隔震層的位置在屋頂，并且普通抗震結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比為0，層間隔震結(jié)構(gòu)和普通抗震結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比(表3)。

表3 隔震結(jié)構(gòu)和普通抗震結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比Table 3 Seismic isolation structure and the general structure of the mass ratio

根據(jù)《抗震規(guī)范》，不設(shè)置隔震層時，主軸方向所要求的基本周期小于1.0s。本文的結(jié)構(gòu)所選取的兩個方向的自振周期均小于0.91s和0.89s，符合規(guī)范要求。普通抗震模型在X方向的前三階數(shù)據(jù)變化(表4)。

表4 X方向模型前三階數(shù)據(jù)Table 4 The first three data models of X direction

3.2 層間隔震的剪力分析

結(jié)構(gòu)的層間剪力是建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能重要衡量指標，各層所承受的地震剪力值直接影響著層間隔震結(jié)構(gòu)的減震效果。在既有的兩條地震波下進行地震時程分析，分別得出普通抗震結(jié)構(gòu)的最大剪力值和層間隔震結(jié)構(gòu)五個模型的各層的最大剪力值。驗證后得出，兩個水平方向的地震反應(yīng)有相同的地震規(guī)律。所以本文中只列出了X方向的分析數(shù)據(jù)。EICentro波作用下，X方向的普通抗震結(jié)構(gòu)模型的剪力值(表5)，EI-Centro波在強度等級為7的多遇地震作用下，X方向的各隔震結(jié)構(gòu)模型的剪力值(表6)。

表5 EI-Centro波X方向剪力值數(shù)據(jù)表Table 5 EI-Centro wave X direction shear value data table

Taft波在強度等級為7的多遇地震作用下，X方向的普通抗震結(jié)構(gòu)模型的剪力值和減震率如表7，Taft波在多遇地震作用下，X方向的各層間隔震結(jié)構(gòu)模型的剪力值和減震率如表8。

表6 EI-Centro波X方向剪力值和減震率數(shù)據(jù)表Table 6 EI-Centro wave X direction shear force values and the damping rate data table

表7 Taft波X方向剪力值數(shù)據(jù)表Table 7 Taft wave X direction shear value data table

由表8的數(shù)據(jù)看出，在地震作用下的層間隔震結(jié)構(gòu)與普通抗震結(jié)構(gòu)相比，各層的剪力都明顯的減小了，層間隔震結(jié)構(gòu)中第一層的剪力值有最明顯減小，多遇地震作用下的普通抗震結(jié)構(gòu)剪力值為4658.85kN，隔震結(jié)構(gòu)中的最大剪力值為1951kN，大大減小了結(jié)構(gòu)樓層的受力，提高結(jié)構(gòu)抗震效果。

表8 Taft波X方向剪力值和減震率數(shù)據(jù)表Table 8 Taft wave X direction shear values and damping rate data table

對于不同的層間隔震結(jié)構(gòu)而言，減震效果也不同，當隔震層設(shè)置在1～3層時，所受的剪力值沒有明顯的差別，當隔震層上移到4層和5層時，減震率明顯的下降。通過對比分析得出，當隔震層設(shè)置在3層以下時具有較好的抗震效果，而且它們的減震效果也非常接近。當隔震層在4層以上時比3層以下的減震效果相對差一些。為了更好的進行對比，層間所受的最大剪力值和減震率繪制成包絡(luò)圖(圖5)。

圖5 各樓層在地震作用下的最大剪力值Fig.5 Each floor under earthquake of maximum shear force values

設(shè)置不同位置的隔震時各結(jié)構(gòu)層間剪力減震率曲線如圖6所示。

圖6 各結(jié)構(gòu)層間剪力減震率曲線Fig.6 Each structural damping interlayer shear rate curve

從圖6中可以看出，當隔震層向上移時，樓層的剪力則會降低，當隔震層設(shè)置在四，五層時有明顯下降趨勢。說明當隔震層位置設(shè)置越低，結(jié)構(gòu)有越好的減震效果。隔震層設(shè)置在1～5層時，隔震層所在樓層的減震率增大，說明隔震層所在樓層有特殊的減震作用。

3.3 層間隔震結(jié)構(gòu)位移變化分析

由樓層剪力分析可知，隔震層設(shè)置位置的不同，結(jié)構(gòu)的減震效果有明顯的差異，隔震層的設(shè)置位置越低，則樓層所受的剪力越小，減震率就越大，減震效果就越好。根據(jù)材料特性可知，當抗震構(gòu)件的數(shù)量一定，構(gòu)件的截面面積不變時，抗剪構(gòu)件就有越小的剪切變形。通過對結(jié)構(gòu)的地震時程分析，對最大層間位移進行分析，分析得出的在強度等級為7多遇地震時，位移數(shù)據(jù)如表9，減震率如表10。

表9 多遇地震作用下X方向各結(jié)構(gòu)模型的最大層間位移Table 9 Under frequent earthquake structural model of the X-direction maximum story drift

表10 多遇地震作用下X方向各結(jié)構(gòu)模型的樓層減震率Table 10 Under frequent earthquake structural model of the X-direction of the damping rate of the floor

由表9可知，隔震層所在樓層產(chǎn)生的剪切位移很大，而其它樓層的位移則都非常小，小于普通抗震結(jié)構(gòu)的位移。這說明隔震層吸收地震所產(chǎn)生的大部分能量，不但減小了下部結(jié)構(gòu)的層間位移，也阻礙了由于地震產(chǎn)生的能量傳遞給結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)，有明顯的保護作用。當隔震層設(shè)置的位置改變時，每個結(jié)構(gòu)模型的位移反應(yīng)也不同，隔震層隨著位置不斷上移時，隔震層的位移明顯的下降，除隔震層外的層間位移有規(guī)律的發(fā)生變化。隔震層設(shè)置的位置越高，隔震層之外的其它樓層的層間位移也就越大。因此可以總結(jié)為，隔震層的設(shè)置位置越高，質(zhì)量比越小，隔震層所在樓層的位移也就減小，除隔震層以外樓層的位移相應(yīng)增大。

不同結(jié)構(gòu)計算模型的屋頂?shù)奈灰谱兓鐖D7，在地震作用下，當隔震層設(shè)置在建筑的中間位移時，屋頂?shù)奈灰茣冃?，特別是在第三層柱底時，結(jié)構(gòu)屋頂?shù)奈灰谱钚　?/p>

圖7 各結(jié)構(gòu)模型屋頂位移的變化Fig.7 The roof of the structure model of change of displacement

4 結(jié)論

(1)層間隔震結(jié)構(gòu)可以隔震結(jié)構(gòu)的基本周期增大，使結(jié)構(gòu)的減震效果提高，并且隨著隔震層設(shè)置的位置增高，結(jié)構(gòu)的振動周期也隨之減小。

(2)層間隔震結(jié)構(gòu)與普通抗震結(jié)構(gòu)相比，無論隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)的位置如何，都會延長結(jié)構(gòu)的第一周期。隔震層設(shè)置的位置越低時，隔震結(jié)構(gòu)的基本周期就越大，所以結(jié)構(gòu)的減震效果就會越好。

(3)當隔震層的設(shè)置位置向上移動時，各樓層的減震效果有所降低，這就說明了層間隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)置較低的隔震層時，結(jié)構(gòu)具有越好的減震效果。但是，當隔震層的位置較低時，隔震裝置所在的樓層的位移就最大，隨著隔震層位置的向上移動，隔震層的層間位移則相應(yīng)的減小，與此同時，除隔震層以外的其它樓層的層間位移隨之不斷增加。

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