多層建筑基礎(chǔ)隔震分析研究

王帥帥

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

0 前 言

“裂而不倒”被稱(chēng)作是傳統(tǒng)的建筑抗震設(shè)防目標(biāo)，在建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中將這一設(shè)防目標(biāo)具體化為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。為了達(dá)到這一目標(biāo)，要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有足夠的承載力和塑性變形能力。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在遭遇中型或者小型地震時(shí)，則需要結(jié)構(gòu)以塑性變形和構(gòu)件損傷為代價(jià)來(lái)抵抗地震作用，這在吸收消耗地震的能量中是可行的；然而，當(dāng)遭遇大的或者是特大罕遇地震時(shí)，仍然按照這種傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就很可能會(huì)因?yàn)椴痪邆渥晕艺{(diào)節(jié)的能力而無(wú)法滿(mǎn)足安全的使用要求，從而造成非常嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，在當(dāng)今高速發(fā)展的社會(huì)中，一些具有高精密儀器配備的建筑物，如工業(yè)廠房、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院等，對(duì)抗震設(shè)計(jì)提出了很高的要求，單靠采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件來(lái)耗能抗震的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此，世界各國(guó)的研究學(xué)者把目光投向了隔震設(shè)計(jì)這一更為安全有效的抗震方法上。

1 工程概況與計(jì)算模型

工程實(shí)例是一個(gè)多層框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，屬于重點(diǎn)設(shè)防乙類(lèi)建筑，設(shè)計(jì)分組為第一組，地震加速度峰值為0.20 g，特征周期為0.55 s。該建筑為4層框架結(jié)構(gòu)體系，高14.4 m，寬12 m，高寬比為1.8，結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖

2 ETABS有限元建立模型

采用有限元軟件ETABS建立框架結(jié)構(gòu)體系的有限元模型，并進(jìn)行受力分析，ETABS有限元軟件具有強(qiáng)大的模擬功能，可以建立各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型，并且能夠開(kāi)展結(jié)構(gòu)體系的線性和非線性動(dòng)力分析，并且能夠精準(zhǔn)地模擬橡膠隔震支座的性能，其有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 隔震支座的布置

本文采用的是橡膠隔震支座，在選擇隔震支座的直徑、數(shù)量和平面布置時(shí)，主要考慮以下因素。

1)根據(jù)[文獻(xiàn)2]中12.2.3條，橡膠隔震支座的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)乙類(lèi)建筑的基準(zhǔn)面壓限值12 MPa。[2]

2)在罕遇地震作用下，當(dāng)少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa。

3)隔震支座的水平位移應(yīng)不大于其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍中的較小值。

本工程選用了不同規(guī)格的橡膠隔震支座共24個(gè)，隔震支座的分布示意如圖3所示。

圖3 隔震支座分布示意圖

4 地震比輸入

依據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，應(yīng)該按照建筑場(chǎng)地的類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震的分組來(lái)選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量應(yīng)占總數(shù)的2/3以上。該工程中選取兩條天然波EL-centro波和CPC波，還有一條依據(jù)抗震規(guī)范反應(yīng)譜合成的人工Ren波。

5 隔震效果分析

5.1 結(jié)構(gòu)自振周期

對(duì)非隔震模型和采用橡膠隔震支座模型在ETABS軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，選取前9階自振周期，如表1所示。

5.2 層間剪力

采用基礎(chǔ)隔震和非隔震結(jié)構(gòu)的兩種模型在EL-Centro波、CPC波、Ren波的作用下進(jìn)行時(shí)程分析得到底層和頂層的層間剪力如表2～3，通過(guò)對(duì)比分析得到基礎(chǔ)隔震可以很大層度上降低地震作用對(duì)樓層間的剪力作用如表4，通過(guò)表4可以清晰看到采用基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)最大為頂層X(jué)方向0.16，最小為底層Y方向0.26。

表1 自振周期

表2 底層剪力

表3 頂層剪力

表4 水平向減震系數(shù)(隔震/非隔震)

6 結(jié) 論

本文先采用ETABS有限元軟件建立框架結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范和地震波作用對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震的布置，然后對(duì)結(jié)構(gòu)的周期和剪力進(jìn)行參數(shù)分析，最后在地震波作用下對(duì)本模型進(jìn)行時(shí)程分析，并給出隔震后的層間剪力和水平向減震系數(shù)都滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，為同類(lèi)建筑工程的隔震設(shè)計(jì)提供了一些參考。

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