廢舊輪胎隔震框架結構的動力仿真分析

諶異潮， 唐天國

(四川大學建筑與環(huán)境學院， 四川成都 610065))

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廢舊輪胎隔震框架結構的動力仿真分析

諶異潮， 唐天國

(四川大學建筑與環(huán)境學院， 四川成都 610065))

文章基于STP(Scrap Tire Pads 廢舊輪胎隔震墊)隔震技術，采用大型有限元軟件SAP2000對某村鎮(zhèn)三層框架結構的抗震結構和隔震結構進行了動力時程分析，對比研究了兩種結構在地震作用下的響應。結果表明：采用STP隔震墊的農(nóng)村框架房屋模型地震反應顯著小于非隔震框架房屋模型,STP隔震技術能夠有效減少上部樓層層間剪力，能有效控制結構的內(nèi)力和變形，提高結構抗震能力，具有良好的隔震效果。

框架結構；廢舊輪胎隔震墊；仿真分析；鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，大部分地區(qū)都是農(nóng)村，這些村鎮(zhèn)的建筑以低層廉價的砌體、磚混和框架結構居多，而我國是一個地震多發(fā)國，大部分高烈度地震區(qū)都分布在村鎮(zhèn)地域。從2008年汶川地震、2010年玉樹地震，到2013年的蘆山地震所帶來的震害來看，這類村鎮(zhèn)建筑損壞都比較嚴重，因此，提高村鎮(zhèn)建筑的抗震性能正是當務之急。在一系列建筑結構的工程抗震措施中，隔震技術因其概念簡單、效果明顯、性能穩(wěn)定，已成為目前使用最為廣泛的減震手段之一[1]。迄今為止，大部分隔震建筑使用的隔震支座均為疊層鋼板橡膠支座。但這種工業(yè)產(chǎn)品造價高昂、施工技術要求較高，在中國廣大村鎮(zhèn)地區(qū)房屋建筑難以推廣應用，而我國的鄉(xiāng)鎮(zhèn)隔震現(xiàn)狀也證實了這種局限性。

相比于正規(guī)的橡膠支座，廢舊輪胎墊(Scrap Tire Pads,以下均簡稱STP)造價低廉、制作簡單、施工方便，還能使廢舊輪胎得到消化利用，節(jié)約了堆放用地，避免了對環(huán)境的污染，具有較大的環(huán)保意義。我校從2009年開始對STP隔震系統(tǒng)進行了一系列實驗，已獲得了相關參數(shù)[2-3]。本文在此基礎上，將STP支座應用于農(nóng)村框架房屋建筑中，采用SAP2000軟件對該隔震體系進行了動力數(shù)值分析，論證了該隔震體系的減震效果。

1　動力分析數(shù)值模型

1.1STP支座動力性能

在已完成的STP支座動力實驗研究中，已經(jīng)獲得了相關參數(shù)，選取雙向低周反復加載實驗中得到的用東洋品牌輪胎制作的STP的參數(shù)為基礎，該支座的尺寸為180 mm×200 mm×50 mm，設計面壓為5 MPa，極限面壓為10 MPa[2-3]。可得到該STP支座水平力雙線性恢復力模型如圖1所示，由圖可得到該STP支座的等效水平剛度為636.4 kN/m,由相關公式[4]計算所得的等效粘滯阻尼比為0.169。

圖1　STP支座水平力雙線性恢復力模型

1.2農(nóng)村框架住房的隔震結構設計要點1.2.1工程概況

某村鎮(zhèn)抗震建筑為3層框架結構，平面尺寸為18.2 m×11.65 m，總建筑面積為212.03 m2，地上建筑的總高度為10 m，各層層高依次為3.4 m、3.3 m、3.3 m。結構梁板柱均采用C30混凝土現(xiàn)澆，內(nèi)外墻采用頁巖空心磚。該建筑場地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2g，設計地震分組為第二組。該房屋標準層結構平面布置如圖2所示。

圖2　結構平面布置

1.2.2結構模型及隔震支座布置

本文使用大型建筑有限元分析軟件SAP2000建立了該建筑的非隔震與隔震的結構分析模型，并對這兩種模型進行了動力有限元分析。在仿真模型中，梁柱均采用框架線單元，樓板采用薄膜單元。隔震結構所使用的隔震支座，用SAP2000中提供的Rubber isolator單元模擬，考慮到每個支座要在重力荷載代表值作用下，其長期面壓不超過5 MPa，以及支座尺寸大小的問題，經(jīng)過試算后，擬將支座設計為380 mm×380 mm×50 mm，并將對應數(shù)據(jù)輸入到該單元中進行分析。

對于隔震結構，該工程選取16組這樣的隔震支座，參照GB50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》[5]的要求，將支座布置在每根柱下，并增設一層隔震層，詳細構造可參見03SG610-1《建筑結構隔震構造詳圖》[6]。傳統(tǒng)抗震結構模型和隔震結構模型如圖3、圖4所示。

圖3　抗震結構模型

圖4　隔震結構模型

2　結構的地震響應分析

2.1地震波的選取

按《建筑抗震設計規(guī)范》5.1.2要求[5]，擬采用3條地震波。其中，實際強震記錄2條(EL Centro波和Hollister波)，人工合成加速度時程曲線1條(人工波1，簡寫為Rgb1)。 所采用的3條地震波對應的時程曲線如圖5所示。3條地震波經(jīng)過試算后，均滿足《建筑抗震設計規(guī)范》5.1.2對計算所用時程曲線的要求。

2.2地震作用下結構反應對比

2.2.1模態(tài)分析對比

對傳統(tǒng)抗震結構和STP隔震結構做模態(tài)分析，得出結構在非隔震和隔震兩種情況下的自振周期(表1)。從表1中可以看出，由于隔震層的存在，大大延長了結構的自振周期，這樣可以有效的避開場地的特征周期，從而大大降低了水平地震作用，上部結構的相應也隨之降低。

2.2.2設防烈度下的計算分析

輸入地震加速度峰值PGA為200 cm/s2，抗震設防烈度為8度中震時的工況，計算所得該建筑的非隔震結構和隔震結構各樓層最大加速度(表2)。從表2中可以看到，對于非隔震結構，加速度值由下往上會被不斷放大，結構頂層的加速度值被放大到2.65至2.94倍，而隔震后的頂層加速度值最大僅為地面加速的0.85倍，約為非隔震結構的30 %， 且隔震結構各樓層加速度由下到上變化相對較小，這可以使隔震后的結構從快速的、由下至上不放大的晃動變成較緩慢的近似整體水平運動，在地震中，這將使隔震結構內(nèi)人們的震感大幅度降低。

圖5　時程曲線

振型非隔震結構/s隔震結構/s周期延長率/%10.484411.02944112.520.478321.02764114.830.430150.92746115.640.144750.2804393.750.143310.2787294.5

表2　中震時各樓層最大加速度對比PGA=200 cm/s2

注：分別用Hollister-iso、EL Centro-iso、Rgb1-iso表示隔震結構在各地震波下的數(shù)值。

在計算隔震和非隔震結構在X向、Y向的層間剪力后，繪制剪力包絡圖(圖6)。在設防地震下，隔震結構與非隔震結構的層間剪力比最大值為0.35，減震效果明顯，這大大提高了結構的安全儲備。如在相同工況下對結構進行設計，采用STP隔震技術的結構可以減少建筑材料的用量，從而提高經(jīng)濟效益。

(a)X向

(b)Y向圖6　中震時X向、Y向剪力包絡圖PGA=200 cm/s2

2.2.3罕遇烈度下的計算分析

輸入地震加速度峰值PGA為400 cm/s2，對結構作了大震下的彈塑性時程分析后，計算所得隔震和非隔震結構在X向、Y向的層間剪力包絡圖(圖7)。在罕遇地震作用下，隔震結構與非隔震結構的層間剪力比的最大值為0.48，同樣體現(xiàn)了良好的減震效果，保證了結構在大震下的安全。

另外，按照現(xiàn)行抗規(guī)對隔震支座的要求，在罕遇地震作用下，應對每個隔震支座的最大水平位移以及支座最大面壓進行驗算，考慮到本支座所用的材料是廢舊橡膠輪胎，而現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定均是對疊層鋼板橡膠支座提出的，所以在驗算支座的最大水平位移限值和最大面壓時，應以STP支座的性能來進行驗算。在罕遇地震中，隔震結構的隔震層最大位移如表3所示，計算結果顯示在EL Centro波作用下，隔震層的最大水平位移會略微超過支座的極限值。

表3　大震時隔震層最大位移PGA=400 cm/s2

(a)X向

(b)Y向圖7　大震時X向、Y向剪力包絡圖PGA=400 cm/s2

同樣，驗算罕遇地震下的支座最大面壓，計算結果如表4所示。從表4看出，支座最大面壓出現(xiàn)了超過了設計面壓10 MPa的情況。因此綜合驗算結果，雖然在罕遇地震下會出現(xiàn)支座最大位移與最大面壓超過極限值的情況，但考慮到超過限度很小，因此若適當增大支座尺寸，仍可滿足支座在罕遇地震能滿足相關性能要求。

表4　大震時隔震支座最大面壓 PGA=400 cm/s2

3　結論

本文以STP支座性能的實驗數(shù)據(jù)為基礎，將STP隔震技術應用于某村鎮(zhèn)三層框架結構房屋中，經(jīng)過動力有限元分析，得出如下結論：

(1)對比分析結果可知，STP隔震結構在地震作用下近似表現(xiàn)為上部結構的整體水平平動。STP支座在地震過程中可以顯著地耗散地震能量，避免地震中建筑物的垮塌以及重大破壞事故。

(2)通過計算表明，用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑的STP隔震技術可以顯著延長結構的自振周期，從而避開建筑場地的特征周期，減少發(fā)生共振的風險。詳細對比了兩種結構形式在設防地震和罕遇地震作用下的層間剪力，均論證出了良好的減震效果，這可以使工程師在結構設計時，適當減少上部結構的截面尺寸和配筋，降低工程造價。

(3)從計算可以看出，在發(fā)生8度罕遇地震時，支座的最大水平位移在少數(shù)情況下略有超出極限值，顯示STP支座水平變形的安全余度略有欠缺。在將來，如何提高STP支座的變形能力、增加STP支座的安全余度，應是研究的重點。

[1]周福霖. 工程結構減震控制[M]. 北京：地震出版社,1997.

[2]陳文,熊峰. 利用廢舊輪胎的農(nóng)居砌體結構房屋隔震系統(tǒng)[J]. 四川建筑,2012,32(1)：113-115.

[3]田原源,熊峰. 廢舊輪胎墊隔震層的擬靜力實驗研究[J]. 地震工程與工程振動,2014,34(3)：1-6.

[4]R.W.克拉夫,J.彭津. 結構動力學[M]. 北京:科學出版社,1983.

[5]GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[6]03SG610-1建筑結構隔震構造詳圖[S]. 北京:中國計劃出版社,2003.

諶異潮(1992～)，男，在讀碩士研究生，研究方向為工程結構分析；唐天國(1973～)，男，副教授，碩士生導師。

TU 352.12

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[定稿日期]2016-02-26