三維多層框架隔震結構響應分析

邢義鋒　歐陽巧琳　曾祥國

[摘要]對某多層框架隔震結構采用三維有限元模型進行非線性時程分析，分析該結構在地震作用下的動力特性和地震反應性能，并與未經隔震情況進行比較，分析表明：框多層架結構經隔振設計后的響應明顯低于相應抗震結構的地震響應，隔振設計引起的工程效果明顯。采用有限元法能夠全面、準確地反映隔震結構的地震反應性能。

[關鍵詞]框架結構基礎隔震響應非線性時程分析

中圖分類號：TU3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210113－01

一、引言

地球每年平均發生500萬次左右的地震，其中造成災害的地震每年發生十多次[1]。為了減輕建筑的地震破壞，避免人身傷亡，減少經濟損失，土木工程師技術人員必須對建筑工程進行抗震分析和抗震設計[2]。傳統抗震設計是利用結構的強度和結構構件的塑性變形能力抵抗外來的地震力，主要采取加強建筑物的建筑結構的整體性，增強空間剛度，提高建筑材料的強度，延性等措施。工程結構隔震減震技術是目前工程研究和應用的熱點之一[3]，比較成熟的是夾層橡膠墊基礎隔震技術，主要是通過在房屋底部和基礎頂面之間設置水平剛度遠小于上部結構層間剛度的夾層橡膠墊隔震裝置，使得整個結構體系地震時的自振周期變長，過濾掉地震波中破壞作用較大的中高頻成分，降低上部結構地震反應，確保房屋結構和生命財產的安全[4]。本文采用ANSYS有限元分析軟件，對某5層鋼筋混凝土框架隔震結構，采用三維有限元模型進行了水平地震作用下的非線性時程分析，驗證了隔震結構的有效性和安全性，并與未隔震情況做比較。

二、結構計算模型

1．繪制結構的實體模型，如圖1，圖2所示，圖中單位為mm。主梁截面尺寸：250×600，次梁截面尺寸：250×400，均采用C20混凝土，框架柱截面尺寸：550×550，采用C25混凝土，樓板板厚100，采用C20混凝土。夾層橡膠墊的水平剛度1.52E＋6(KN/mm)，阻尼系數9.6 E＋4(KNS/mm)，阻尼比為0.13。布置在柱子下部與基礎頂面之間。在分析中，梁和柱均采用SOLIDl86單元，隔震支座采用Combin14單元。

2．在進行非線性時程分析時，考慮到空間整體結構性能，采用完全法進行模態分析，該方法采用完整的系統矩陣計算。使得分析效果非常好[5]。

三、結構特性以及地震波

1．未經隔震設計時結構的自振周期為T1＝0.536s，經隔震設計后自振周期變為T2＝1.82s。隔震結構的基頻明顯小于抗震結構，自振周期顯著變長，[6]這對于降低上部結構的地震反應是有利的。

2．動力時程分析時輸入的地震記錄為IMPERIAL VALLEY EARTHQUAKE-ELCENTRO地震波，加速度峰值為2.82＝/s²，相當于8度罕見地震，選取整個時間歷程為7.5s，時間步距為0.02s，如圖3所示。

罕遇地震作用下，計算框架結構在隔震和未隔震情況動態響應問題，位移時程反應曲線如圖4所示，速度時程反應曲線如圖5所示。從圖4可知，在地震作用下未隔震位移響應的最大值為11.5，隔震處理后位移響應最大值為3.4，隔震結構的位移要比未做隔震處理時小的多，減振效果非常明顯，從圖5可知，在地震作用下隔震結構的速度要比未做隔震處理時小的多，減振效果非常明顯。其主要原因是在罕遇地震作用下，夾層橡膠墊驅使得整個結構體系地震時的自振周期變長，過濾掉地震波中破壞作用較大的中高頻成分，相應大大降低了上部結構的地震反應。

五、結束語

本文采用三維有限元模型對某5層鋼筋混凝土框架隔震結構進行了非線性時程分析，分析結果表明：隔震結構能夠顯著降低上部結構的地震反應，該隔震結構按設防烈度降低1度水平的抗震結構進行結構設計是偏于保守的；采用三維桿系有限元模型能夠更全面、準確地反映隔震結構的地震反應性能，分析得出的結構構件的內力結果可以直接用于工程設計。因此，與傳統隔震結構設計方法相比，有限元分析方法具有較大的優越性，在隔震結構設計中推廣和應用有限元分析方法對提高結構設計準確性、降低結構構件的配筋、方便施工、降低工程造價等方面具有重要的現實意義。