薛偉偉

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原　030024）

生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)在土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用下隔震設(shè)計(jì)研究分析

薛偉偉

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原030024）

利用時(shí)程分析法對(duì)天然地基上帶群樁基礎(chǔ)的生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)研究分析。建立彈簧單元模擬群樁基礎(chǔ)，采用Davies方法確定樁的剛度；利用SAP2000建立生態(tài)復(fù)合板隔震模型。用時(shí)程分析法進(jìn)行地震反應(yīng)分析，比較隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)時(shí)程反應(yīng)分析結(jié)果，并找到其中規(guī)律，為隔震設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)；隔震基礎(chǔ)；土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用；時(shí)程分析法

0　引言

地震作用的問題一直受國內(nèi)外許多學(xué)者的強(qiáng)烈關(guān)注，而且就這方面問題進(jìn)行了大量的研究，其研究的上部結(jié)構(gòu)型式主要包括框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等［1-3］。西安建筑科技大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究所提出了一種節(jié)能保溫、耗能減震、快速建造、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的住宅結(jié)構(gòu)新體系——生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系［4-5］（見圖1）。

圖1　生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系示意

生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)體系，其中的肋格與填充塊共同工作，同時(shí)又相互作用，充分發(fā)揮各自性能。在地震反復(fù)作用下，填充塊受到框格約束，裂縫被控制在一定范圍內(nèi)，填充塊可以有效地參與抗震，此時(shí)填充塊類似于一個(gè)耗能裝置，有效提高結(jié)構(gòu)抗震能力。在前期研究中，課題組利用時(shí)程分析方法對(duì)生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究雖已有一些成果，但考慮土-樁-生態(tài)復(fù)合墻體系相互作用下的隔震設(shè)計(jì)分析未有相關(guān)研究成果。

本文根據(jù)子結(jié)構(gòu)原理，將群樁基礎(chǔ)用一組彈簧來模擬，利用彈簧單元模擬群樁基礎(chǔ)，采用Davies方法確定樁的剛度；建立隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，提出考慮土-樁-生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)共同作用的整體分析模型，并對(duì)比分析隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)在土-樁-結(jié)構(gòu)的共同工作問題。

1　土-樁-生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)相互作用隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析模型

1.1隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)來說，合理的計(jì)算模型要能夠反應(yīng)隔震結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況，上部結(jié)構(gòu)不同應(yīng)選取不同的分析模型。一般常用的計(jì)算模型有以下幾種［6］：

（1）單質(zhì)點(diǎn)模型

對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)特別是層數(shù)不多、上部結(jié)構(gòu)剛度大的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系位移集中在基底隔震裝置，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下整體平動(dòng)，可以通過單質(zhì)點(diǎn)隔震模型來分析結(jié)構(gòu)的反應(yīng)情況，見圖2。

圖2　單質(zhì)點(diǎn)模型

（2）多質(zhì)點(diǎn)剪切模型

時(shí)程分析一般采用剪切型多質(zhì)點(diǎn)模型。某些隔震結(jié)構(gòu)上部層間剛度相對(duì)較小或上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心與隔震層剛度中心不重合時(shí)應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)。將隔震層作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)將上部結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)化，其水平剛度即為隔震層的等效水平剛度。該模型計(jì)算精度可以滿足工程要求，而且簡單實(shí)用，見圖3。

圖3　多質(zhì)點(diǎn)剪切模型

（3）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型

這種模型假定各層在平面內(nèi)剛度無限大，在水平地震作用下只進(jìn)行平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)分量是X、Y向水平位移和一個(gè)角位移。用X、Y向水平位移和角位移3個(gè)矩陣就可以描述結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)矩陣，模型見圖4。

圖4　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型

以上分析模型可同時(shí)考慮隔震層、下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的非線性特性。實(shí)際使用的一些隔震系統(tǒng)是有自阻尼的線性系統(tǒng)，但為了使隔振器有高柔性和大阻尼，一種替代方法是采用非線性滯變隔震系統(tǒng)。當(dāng)隔震墊為普通疊層橡膠墊且不設(shè)置阻尼時(shí)，可采用線彈性模型，見圖5；當(dāng)隔震墊為鉛芯疊層橡膠墊時(shí)，隔震層可采用雙性模型，見圖6。

圖5　普通疊層橡膠支座的滯回曲線

圖6　鉛芯疊層橡膠支座的滯回曲線

從圖5可以看出，普通橡膠支座的滯回特性與剪應(yīng)變的大小無關(guān)，支座從大變形到小變形都具有穩(wěn)定的彈性性能，滯回曲線所包含的面積很小，說明普通疊層橡膠支座幾乎不能耗散能量，要達(dá)到耗散能量的目的，必須與其它阻尼器配合使用。從圖6可以看出，鉛芯疊層橡膠支座實(shí)際的滯回曲線可近似為一個(gè)雙線性模型，若對(duì)該模型進(jìn)行等效線性化，將雙線性模型的對(duì)角線用斜線相連，則斜線的斜率為支座的等效水平剛度，計(jì)算式為：

式中：Keq——等效水平剛度；

Xmax——最大水平位移；

Xmin——最大水平負(fù)位移；

Qmax——與Xmax對(duì)應(yīng)的水平剪力；

Qmin——與Xmin對(duì)應(yīng)的水平剪力。

1.2基礎(chǔ)簡化模型

土-樁-生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)相互作用結(jié)構(gòu)模型如圖7（a）所示。用一組彈簧模擬群樁基礎(chǔ)，本文根據(jù)子結(jié)構(gòu)原理，建立如圖7（b）所示的土-樁-生態(tài)復(fù)合墻體系相互作用體系Pushover分析模型，其中群樁剛度按Davies（1986）［7］的經(jīng)驗(yàn)公式確定。

圖7　土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用體系Pushover計(jì)算模型

1.3時(shí)程分析所選取的地震波

本工程所選用的是國內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)最常用的2個(gè)典型地震波EL-CENTRO、遷安波和1組人工波，如圖8所示。

圖8　地震波EL-CENTRO、遷安波和人工波圖譜

2　實(shí)例分析

圖9為生態(tài)復(fù)合墻住宅平面示意，地上8層，層高2.8 m，總高22.4 m，8度抗震設(shè)防，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20 g，橫向9.0 m，縱向長42.0m，最大房間為9.0m×6.0m，橫向一榀框架各根柱下各布置1根樁，樁尺寸相同，樁徑為0.60m，樁長20m。

圖9　隔震密肋復(fù)合墻平面示意

該建筑比較規(guī)則，安裝隔震支座后，自振周期控制在2.5 s左右，避開了特征周期，大大減小了地震力。在8度多遇地震作用下，基礎(chǔ)固定的生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)無法正常工作。為了實(shí)現(xiàn)在高地震烈度區(qū)建立生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)的底部安裝了自阻尼橡膠支座，隔震層設(shè)在±0.000與基礎(chǔ)之間，采用30個(gè)直徑為500 mm的GZY500型自阻尼疊層橡膠隔震支座，規(guī)格相同，其支座有關(guān)技術(shù)參數(shù)及力學(xué)性能如表1所示。對(duì)高烈度區(qū)隔震生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行研究，分別采用基礎(chǔ)固定與基礎(chǔ)隔震2種形式進(jìn)行地震反應(yīng)對(duì)比分析［8-9］。

表1　自阻尼疊層橡膠隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)

自阻尼疊層橡膠隔震支座的其它參數(shù)為：有效直徑500 mm，鉛芯直徑120 mm，橡膠硬度50，橡膠層總厚度105 mm，鋼板層厚度20 mm，一次形狀系數(shù)31.6，二次形狀系數(shù)5.7。

2.1隔震與非隔震結(jié)構(gòu)周期比較

由GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中圖5.1.5可知，自振周期大小直接影響水平地震作用，因此要將結(jié)構(gòu)自振周期控制在合理范圍內(nèi)。墻板結(jié)構(gòu)與有限元分析模型見圖10，隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比結(jié)果見表2。

圖10　墻板結(jié)構(gòu)簡圖與有限元分析模型

表2　隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

由表2可見：

（1）結(jié)構(gòu)加隔震裝置以后前3個(gè)振型周期變化較大，由GB 50011—2010中圖5.1.5初步估計(jì)地震力可減小50%，這對(duì)結(jié)構(gòu)抗震是非常有利的。

（2）前3個(gè)周期高階振型影響較小，變形集中在隔震層。對(duì)于后7個(gè)振型隔震結(jié)構(gòu)周期僅比非隔震結(jié)構(gòu)周期稍大，說明此時(shí)高階振型影響較大，隔震效果不明顯，此時(shí)隔震層位移在總位移中的比例較前3階振型有所減小。

2.2隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震作用

下的時(shí)程分析對(duì)比

圖11為在EL-CENTRO時(shí)程曲線作用下頂層X方向加速度時(shí)程曲線。地震波調(diào)幅系數(shù)為2.05。

圖11　頂層加速度時(shí)程曲線

從圖11可以看出，在8度多遇（amax=70 gal）地震作用下，基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)頂層最大加速度181.4 gal，而基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度最大值約為59.1 gal，僅為基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的32.4%；隔震結(jié)構(gòu)時(shí)程曲線較固定結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線頻率低，減輕地震時(shí)振動(dòng)的強(qiáng)烈感［10］。

表3為隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震作用下最大層間剪力。

由表3可知：在8度多遇地震作用下，隔震與非隔震2種情況下各層層間剪力的最大比值為0.35，根據(jù)GB 50011—2010規(guī)定，隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)為0.5時(shí)，可降低1度來設(shè)防，并且有較好的安全儲(chǔ)備。

表3　隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)隔震前后的層間剪力比較

2.3隔震結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下的時(shí)程分析

圖12為地震時(shí)程曲線作用下頂層X方向加速度時(shí)程曲線（以EL-CENTRO波為例）。地震波調(diào)幅系數(shù)為11.7。表4為隔震結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下各層層間位移。

圖12　頂層加速度時(shí)程曲線

從圖12可以看出，在8度罕遇地震作用下（amax=400 gal），基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)頂層最大加速度1716 gal，而基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度最大值約為408 gal，僅為基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的23.8%。2個(gè)時(shí)程曲線形狀基本相同，不同處是固定結(jié)構(gòu)的加速度曲線振幅較大，此時(shí)支座進(jìn)入塑性狀態(tài)。

表4　隔震結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下的層間位移

從表4可以看出，隔震層在8度罕遇地震作用下的最大位移為190.2 mm。符合JG 118—2000《建筑隔震橡膠支座》對(duì)最小直徑為500 mm的隔震支座其位移限值為275 mm的要求，并且在地震荷載作用下基本是平動(dòng)，位移集中在隔震層。

3　結(jié)語

（1）利用SAP2000分析軟件對(duì)比分析了隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力和層間位移，驗(yàn)證了生態(tài)復(fù)合板結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)的可行性。隔震結(jié)構(gòu)底層剛度較小，這樣延長結(jié)構(gòu)自振周期，同時(shí)隔震層的阻尼器有效消耗地震能量有效的隔離地震波上傳，隔震結(jié)構(gòu)基底剪力是非隔震結(jié)構(gòu)的34.7%，頂層加速度是非隔震結(jié)構(gòu)的21.6%；隔震結(jié)構(gòu)位移集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)基本是平動(dòng)，隔震結(jié)構(gòu)層間位移減小，在多遇地震作用下上部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。

（2）在設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)的構(gòu)造對(duì)隔震效果影響很大。若隔震節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)，則不能滿足“小震不壞”的設(shè)防目標(biāo)：要發(fā)揮隔震效果，就要保證隔震裝置可以自由移動(dòng)，因此，隔震層以上結(jié)構(gòu)應(yīng)采取不阻隔隔震層在罕遇地震作用下發(fā)生大變形的措施。因此本文提出生態(tài)復(fù)合板結(jié)構(gòu)部分連接構(gòu)造。

［1］呂西林，陳躍慶，陳波，等．結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2000，20（4）：20-29．

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［5］張蔭，姚謙峰，丁永剛．高性能混凝土密肋壁板結(jié)構(gòu)節(jié)能住宅體系研究［C］//中國硅酸鹽學(xué)會(huì)混凝土與水泥制品分會(huì).生態(tài)環(huán)境與混凝土技術(shù)國際學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.烏魯木齊，2005：196-201.

［6］張迪.疊層橡膠支座基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)用模型及工程應(yīng)用［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2001.

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［8］姚謙峰，王堅(jiān)強(qiáng).咸陽市房地局基礎(chǔ)隔震綜合住宅樓地震反應(yīng)分析［J］.工業(yè)建筑，2003（12）：49-50.

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Isolation design analysis of soil-pile-eco-composite walls interaction system

XUE Weiwei
（Taiyuan Heavy Machinery Group Co.Ltd.，Taiyuan 030024，Shanxi，China）

Time-history method was adopted to perform Isolation Design analysis for eco-composite wall structure with grouped pile foundation resting on natural foundation soil.The substructure technique was adopted to simulate pile group with a group of springs，the grouped pile stiffness was determined with Davies method.Using SAP2000 establish an eco-composite wall isolation model.This paper uses time-history method to analysis earthquake response and compares the results of time-response analysis of the isolated structure with non-isolated structure's；contrast the effect of isolation of different damping ratio and find the rules to provide the basis for isolation's design.

eco-composite wall structure，base isolation，soil-pile-structure interactions，time-history analysis

TU352.1

A

1001-702X（2015）11-0074-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50908188、50878021）；國家“十一五”科技支撐項(xiàng)目（2006BAJ04A02-5、2008BAJ08B011-03）

2015-08-28

薛偉偉，男，1985年生，山西襄汾人，工程師，主要從事新型建筑結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)抗震研究。