組合隔震結(jié)構(gòu)雙向隨機(jī)地震反應(yīng)研究范文

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摘要：利用有限元軟件建立某5層框架結(jié)構(gòu)商城模型，輸入水平雙向的實(shí)際地震波和人工波，通過(guò)時(shí)程分析，對(duì)比了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)、全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)和組合隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)果表明：由鉛芯橡膠支座和摩擦滑板支座組成的組合隔震結(jié)構(gòu)在增加自振周期、減小基底反力幅值、減小結(jié)構(gòu)層地震動(dòng)加速度等方面均較全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)更好，具有良好的隔震性能；考慮造價(jià)等因素，組合隔震結(jié)構(gòu)比全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)有更廣闊的應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)；組合隔震；雙向地震；自振周期；地震動(dòng)加速度

地震是地球內(nèi)部能量短時(shí)間的釋放，隨機(jī)性較強(qiáng)，它不僅對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅，而且造成的次生災(zāi)害也是難以估量的[1]。近年來(lái)，我國(guó)也發(fā)生了多次較大地震，給人們帶來(lái)了沉重的災(zāi)難。因此，在我國(guó)對(duì)減震防震的研究具有重要的意義。在各類抗震技術(shù)中，隔震技術(shù)因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、減震效果明顯等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛的關(guān)注，尤其是基礎(chǔ)隔震技術(shù)研究成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[2-3]。由于不同的隔震裝置單獨(dú)使用時(shí)各有利弊，而將不同的隔震裝置配合使用可以取長(zhǎng)補(bǔ)短得到更好的效果，所以組合隔震結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)代隔震技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要思路[4]。國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者對(duì)組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果也進(jìn)行了相關(guān)的研究，取得了一系列的理論成果[5-6]，但各種隔震支座在實(shí)際工程中推廣的最大障礙就是造價(jià)問(wèn)題[7]。其中鉛芯橡膠支座具有較強(qiáng)的恢復(fù)力，但是造價(jià)相對(duì)較高；摩擦滑板支座具有造價(jià)低、減震效果好的特點(diǎn)，但是地震時(shí)的復(fù)位能力較差。因此，筆者以某實(shí)際工程為例，建立數(shù)值分析模型，對(duì)比分析組合隔震結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震時(shí)的隔震效果。

1模型及分析概況

1.1模型概況

某5層框架結(jié)構(gòu)商城，建筑物東西長(zhǎng)30m，南北寬18m，在SAP2000軟件中建立結(jié)構(gòu)分析模型。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，抗震設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第2組；柱截面尺寸為500mm×500mm、主梁截面尺寸為300mm×600mm、次梁截面尺寸為250mm×500mm、板厚為120mm，梁、板、柱均采用C40混凝土澆筑，重度為25kN/m3，各層層高均為3.9m。各層樓地面恒載取2kN/m2；填充墻采用加氣混凝土砌塊，僅考慮框架四周外圍部分，將填充墻和窗戶簡(jiǎn)化為分布在框架梁上的線荷載，取7.78kN/m；屋面女兒墻采用普通黏土磚，高度1m，簡(jiǎn)化為線荷載，取4.32kN/m；各層樓面的活荷載參照GB50009—2001（2006年版）《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，取3.5kN/m2。

1.2隔震支座的布置

為了對(duì)比組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果，特建立傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)模型、全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)模型、組合隔震結(jié)構(gòu)模型。其中組合隔震結(jié)構(gòu)采用鉛芯橡膠支座和摩擦滑板支座并聯(lián)組合的方式，兩者比例為1∶1，組合隔震支座采取分散布置。1）鉛芯橡膠支座型號(hào)為L(zhǎng)RB600，屈服前的剛度為13110kN/m。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，罕遇地震下，取250%水平剪切變形時(shí)對(duì)應(yīng)的等效水平剛度為1580kN/m、屈服后剛度為798kN/m、等效阻尼比為18.4%、屈服力為63kN。2）摩擦滑板支座型號(hào)為GYZF4，聚四氟乙稀板的厚度為10mm，與抗震結(jié)構(gòu)對(duì)比時(shí)，滑移隔震支座的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)均取0.1，起滑前支座有效剛度取1.35×109N/m。

1.3地震波的選取及調(diào)整用時(shí)程分析法

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，需要直接輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線。根據(jù)文獻(xiàn)[8]：“采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(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)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3”的要求，筆者擬采用EL-Centro波（NS）、EL-Centro波（EW）、唐山波（NS）、唐山波（EW）、人工波（人工波由自行編制的軟件隨機(jī)生成，見(jiàn)圖1）。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震分析時(shí)，地震峰值加速度為400cm/s2，結(jié)構(gòu)同時(shí)施加X(jué)和Y雙向地震作用，在所有的分析工況中都尚未考慮豎向地震動(dòng)的作用。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的規(guī)定，輸入雙向地震波時(shí)加速度峰值按照X方向∶Y方向=1∶0.85進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后X、Y方向輸入地震波的峰值分別為400，340cm/s2。地震波中加速度幅值大小反映地震波的強(qiáng)弱，要求所選地震記錄的加速度峰值與設(shè)防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的加速度峰值相當(dāng)，否則應(yīng)對(duì)加速度曲線進(jìn)行調(diào)幅，工程中應(yīng)用較多的是比例調(diào)整法[9]。

2結(jié)果分析

2.1結(jié)構(gòu)自振周期

通過(guò)分析對(duì)比，可以得到傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)、全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)、組合隔震結(jié)構(gòu)在前12個(gè)振型的自振周期情況，以及與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的對(duì)比情況，其結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知：組合隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，前6個(gè)振型可以有效地增大結(jié)構(gòu)的自振周期，尤其是前3個(gè)振型，增幅較為明顯；與全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)相比，6個(gè)振型的自振周期都有不同程度的增加。結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)后，能夠避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)也隨之變小，結(jié)構(gòu)由“剛”變“柔”；上部結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)加速度和各構(gòu)件所受的剪力和彎矩會(huì)有不同程度的降低，建筑的抗震能力有一定的增加。通過(guò)對(duì)比可知，組合隔震結(jié)構(gòu)比全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)的抗震效果更佳。

2.2基底反力

通過(guò)分析可以得到傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)、全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)、組合隔震結(jié)構(gòu)的基底反力分別在EL-Centro波、唐山波、人工波作用時(shí)，X、Y方向的時(shí)程曲線。由于基底反力在X、Y方向都具有相同的變化規(guī)律，所以僅給出3種波作用下X方向基底反力的時(shí)程曲線，見(jiàn)圖2。由圖2可知，無(wú)論是X方向還是Y方向，在3種不同的地震波作用下，傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的基底反力振幅均最大；全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)基底反力振幅有明顯的下降；組合隔震結(jié)構(gòu)基底反力振幅又進(jìn)一步地降低，但是降幅較前者較小。該現(xiàn)象說(shuō)明組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震能力較好，能有效降低基底反力變化幅值，減輕對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

2.3結(jié)構(gòu)

層地震動(dòng)加速度通過(guò)分析可以得到傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)、全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)、組合隔震結(jié)構(gòu)的各樓層地震動(dòng)加速度分別在EL-Centro波、唐山波、人工波作用時(shí)，X、Y方向的加速度曲線，見(jiàn)圖3、4，其中“0”表示隔震層。由圖3、4可知，傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)各樓層的地震動(dòng)加速度隨著樓層的增加而增加，呈現(xiàn)出“擺動(dòng)”的狀態(tài)；而全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)和組合隔震結(jié)構(gòu)各樓層的地震動(dòng)加速度隨樓層的增加略有增加，基本呈現(xiàn)出“平動(dòng)”的狀態(tài)；組合隔震結(jié)構(gòu)各樓層的地震動(dòng)加速度在幾種地震波作用時(shí)，大部分均小于全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)樓層的地震動(dòng)加速度，說(shuō)明組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震性能優(yōu)于全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)。組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震層地震動(dòng)加速度除了EL-Centro波在X、Y方向略大于鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)外，在唐山波和人工波的作用下組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震層地震動(dòng)加速度均小于鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)，證明對(duì)隔震層造成的破壞較小。

3結(jié)論

筆者根據(jù)實(shí)際工程利用SAP2000軟件分別建立某抗震設(shè)防烈度為8度的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)、全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)、組合隔震結(jié)構(gòu)3種空間模型，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的自振周期、地震動(dòng)加速度、基底反力等的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：1）無(wú)論是全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)還是組合隔震結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，都具有延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期的能力，但是組合隔震結(jié)構(gòu)比全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)更多，隔震效果更佳。2）全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)能大幅地降低傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)在雙向水平地震作用下基底反力的振幅；組合隔震結(jié)構(gòu)較全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)能更進(jìn)一步地降低基底反力的幅值，對(duì)建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。3）傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)各樓層的地震動(dòng)加速度隨著樓層的增加而增加，呈現(xiàn)出“擺動(dòng)”的狀態(tài)；而全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)和組合隔震結(jié)構(gòu)各樓層的地震動(dòng)加速度隨樓層的增加而略有增加，基本呈現(xiàn)出“平動(dòng)”的狀態(tài)。組合隔震結(jié)構(gòu)各樓層的地震動(dòng)加速度均小于全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)樓層的加速度，說(shuō)明組合隔震結(jié)構(gòu)的隔震性能優(yōu)于全鉛芯橡膠隔震結(jié)構(gòu)。

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作者：楊利國(guó) 柴紅 曹磊 單位：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院