基礎隔震異形柱框架結構的參數優化

李秋英,劉麗麗,董宏偉

(河北工程大學土木工程學院,河北邯鄲056038)

異形柱框架結構作為一種新型鋼筋混凝土結構,在許多城市中得到廣泛應用,具有良好的發展前景。然而由于截面不對稱,異形柱受力特性、抗震性能不如普通矩形柱[1],當前的研究普遍采用暗柱異形柱、增設支撐以及限制軸壓比等措施[2-5],不但增加了施工難度和工程造價,而且限制了結構的適用范圍。

基礎隔震是通過延長建筑物的基本周期及吸收地震波傳遞的能量,達到減小上部結構響應的目的[6]。目前將基礎隔震技術用于異形柱框架結構的研究還比較少,東芳[7]采用有限元模型對基礎隔震異形柱框架模型進行非線性時程分析,并得出基礎隔震異形柱框架結構具有良好抗震性能的結論。本文通過建立隔震異形柱框架體系的三維非線性有限元分析模型,研究結構在不同地震波激勵下的地震反應,并探討疊層橡膠支座用于異形柱框架結構時參數的優化配置問題。

1 隔震體系的計算模型

1.1 隔震層力學模型[8]

由于上部結構的剛度遠大于疊層橡膠隔震支座的水平剛度,將結構簡化成一單質點的剛體,支座簡化成變剛度彈簧和阻尼裝置(圖1)。

1.2 隔震層的雙線性恢復力模型

在地震等動力荷載作用下,采用雙線性恢復力模型簡化柔性隔震層的滯回特性(圖2)。其中:n—隔震層的塑性斜率;k1—隔震層屈服前的水平剛度;k2—隔震層屈服后的水平剛度;sy—隔震層的屈服力;δy—隔震層的屈服位移;δ0—隔震層運動速度由正到負或由負到正對應于x=0的彈塑性變形。該雙線性恢復力模型由屈服力sy、水平剛度k1和k2三個參數確定,sy和δy可由試驗數據或經驗公式確定,其中k1=sy／δy,k2值根據最大恢復力和相應變形來確定。

1.3 隔震結構的動力方程

隔震系統可簡化為層間剪切模型[9],根據達郎貝爾原理,n+1個質點的層間剪切模型的運動微分方程如下

式中[M]—系統的質量矩陣;[C]—系統的阻尼矩陣;[K]—系統的剛度矩陣系統對于地面的加速度向量;{˙x}—系統對于地面的速度向量;{x}—系統對于地面的位移向量;xg—地面輸入加速度;{p}—各層的恢復力列向量。

mb—基礎隔震層的質量,kb—基礎隔震層的等效剛度,xb—基礎隔震層相對于地面的位移,kn—第n層的層間剛度,mn—第n層的層間質量。

2 有限元模型及參數設置

根據平面布置圖建立三維空間有限元模型(圖3),并利用有限元分析軟件對模型進行時程分析?？拐鹪O防烈度為7度,設計基本加速度為0.1 g,設計地震分組為第二組,基本風壓值為0.45kN／m2,建筑場地類別為Ⅱ類,結構樓層剛度、層高、質量、阻尼比等參數見表1。

表1 隔震異形柱框架結構主要參數Tab.1 The parameters of the special pole framework with base-isolated structure

地震波選用El Centro波(1940,NS)、天津波(寧河),這兩條波相應的卓越周期分別是0.55s、0.3s,時程曲線如圖4所示。

3 結果與分析

為考慮隔震系統的阻尼比對隔震效果的影響,采用固定上部結構的阻尼比,取ξ1=0.05,改變隔震系統的阻尼比ξ2(ξ2∈0～0.45),并輸入兩種不同的地震波,得到阻尼比對隔震層及上部結構頂部的位移、加速度峰值的影響曲線(圖5)。由圖5可知,結構頂層及隔震層的位移峰值隨著阻尼比的增加而減小,結構頂層加速度峰值隨著阻尼比的增大而減小。當ξ2＜0.23時,隔震層加速度峰值隨著阻尼比的增大而減小,當ξ2＞0.23時,隔震層加速度峰值隨著阻尼比的增大而增大,最小值出現在0.22到0.27之間。

水平剪切剛度是疊層橡膠支座的一個主要動力參數[10]。剛度過大,則不能有效地延長結構的自振周期和降低結構的加速度、位移;剛度過小,地震時造成的水平側向位移將超過隔震支座的極限位移,使隔震支座出現傾覆破壞。通過調試不同的隔震層基本剛度,輸入El-Centro波(1940,NS)、天津波(寧河),進行動力時程分析,得到剛度對隔震層及上部結構頂部的位移、加速度峰值的影響曲線(圖6)。

由圖6可知,結構頂層位移峰值隨著剛度的增大而增大,隔震層位移峰值隨著剛度的增大而迅速減小。結構頂層加速度峰值隨著剛度的增大而增大,隔震層加速度峰值隨著剛度的增大而增大。在設計隔震系統的時候,應先滿足隔震層位移峰值的允許范圍,再選擇較小的剛度值。

4 結論

1)對于實際異形柱框架結構的抗震要求,可以通過優選隔震支座動力參數來完成。

2)在異形柱框架結構隔震層設計時,將阻尼比控制在0.22～0.27才能取得良好的隔震效果。

3)隔震層水平剪切剛度取值不能過小,在滿足允許位移范圍內,應適當降低剛度值。

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