基于ETABS軟件隔震結構地震響應分析計算

韓學川，王興國，葛楠，屈華靜

(河北聯合大學河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

基礎隔震技術已經得到了廣泛的應用［1-15］，屬于被動結構振動控制技術，通過在上部結構和基礎之間設置隔震層來延長結構的自振周期，遠離地震的卓越周期，減小結構的地震響應。然而，目前基礎隔震技術主要應用在中低層建筑，這主要是由于中低層建筑自振周期較短，隔震后周期增加明顯，隔震效果良好，并且結構在地震作用下傾覆力矩比較小。近年來，針對高層建筑，國內外學者開發了大量隔振技術，例如，普林司通和竹中工務店［3］共同開發了適用于高層建筑的隔震橡膠支座，美國加州大學的Wen－Chyr Chai［12］提出了巨型框架－子結構隔震結構方法(Mega－Sub Control Method)，華中科技大學熊世樹［5，6］提出了一種具有三向適宜剛度和阻尼性能的三維隔震支座——鉛芯碟簧橡膠支座。

本文利用ETABS有限元分析軟件，建立了一個高層結構設置基礎隔震裝置的地震動力反應分析計算模型，該結構為12層框架－剪力墻結構，在基礎頂面設置非線性恢復力特性的FPS(摩擦擺隔震裝置)隔震支座。模型計算結果與未設置隔震裝置的框架－剪力墻結構的計算結果進行對比，研究該結構的地震響應特性，為高層建筑隔震結構設計提參考。

1 結構計算模型建立

結構基本設計參數如下:抗震設防烈度為8度(設計基本地震加速度值為0.20g)，二類場地(特征周期0.40s);柱網為6000 mm×6600 mm，首層層高為4500 mm，其余各層為4000 mm;各部位強度等級均為C30，箍筋采用HPB235級鋼筋，縱筋采用HRB335級鋼筋;鋼筋混凝土方柱的截面尺寸為500 mm×500 mm;框架邊梁的截面尺寸300 mm×500 mm，內部梁的截面尺寸250 mm×500 mm;各層樓板厚均為200 mm;剪力墻厚度為200 mm，呈L型對稱布置;樓面活荷載為2.0 kN/m2、邊梁荷載3.0 kN/m。

建立設置隔震裝置(摩擦擺隔震支座)框架－剪力墻結構整體模型，現采用有限元分析軟件ETABS，對上述結構進行重新建模，采用EL Centro(NS)地震波，對上述結果加以對比。摩擦擺隔震支座特性由圖3給出的對話框定義。

結構平面圖與三維有限元模型分別如圖1及圖2所示:

建立設置隔震裝置(摩擦擺隔震支座)框架－剪力墻結構整體模型，現采用有限元分析軟件ETABS，對上述結構進行重新建模，采用EL Centro(NS)地震波，對上述結果加以對比。摩擦擺隔震支座特性由圖3給出的對話框定義。

采用時程分析法對結構進行分析:在Y方向輸入EL Centro(NS)地震波，最大加速度400cm/s2，時間步長為 Δt=0.010s，總持時 40s。

2 地震動力反應計算與分析

2.1 樓層位移與層間位移

采用ETABS軟件，對12層框架－剪力墻結構的地震動力反應值進行計算，結果列于表1，圖4至6分別給出了有無FPS隔震裝置下，結構最大樓層位移、最大層間位移和最大層間位移角隨樓層變化的規律。

表1 地震動力反應最大值

續表

由圖4可以看出，設置隔震裝置的框剪結構比非隔震結構的最大樓層位移有顯著增加，圖5和圖6是層間位移和層間角位移曲線，其彎剪型分布規律比較明顯，結構的最大層間位移出現在樓層的中上部。對于結構的相對層間位移，設置隔震裝置的框剪結構明顯比非隔震結構有顯著減小。樓層位移是絕對位移，層間位移是相對位移，與結構內力直接相關，減小了結構內力，起到了明顯的隔震作用。

2.2 樓層內力

樓層地震力最大值計算結果列于表2，圖7和圖8給出了結構最大樓層剪力和最大樓層彎矩隨樓層的變化曲線。

表2 樓層地震力最大值

由圖7與圖8可以看出，設置隔震結構以后，結構頂部內力有較大的降低，對消除高層建筑的“鞭梢效應”有明顯作用。

2.3 結構構件內力

取圖1中軸線①為框架1，軸線②為框架2。

(1)框架1的內力包絡值

結構10層柱A、B、C和D的剪力和彎矩計算結果列于表3，圖9和圖10給出了第10層框架柱剪力和彎矩。

表3 框架1柱內力包絡值

(2)框架2內力包絡值

結構10層柱A、B、C和D的剪力和彎矩計算結果列于表4，圖11和圖12給出了第10層柱剪力和彎矩。

表4 框架2柱內力包絡值

由圖9至圖12可以看出，對外框架1列柱與2列柱，內力分布曲線均為V型，由此可知，角柱承擔的地震作用較大，中柱承擔的地震作用較小。當設置隔震系統之后，結構柱剪力和彎矩均降低了31%以上，其中，剪力降低的最顯著，起到了很好的隔震效果。

(3)框架2中剪力墻內力包絡值

結構10層剪力墻W1、W4的剪力和彎矩計算結果列于表5。

表5 剪力墻內力包絡值

由表5中可以看出，與未加隔震裝置相比，有隔震裝置后W4和W1剪力墻的剪力和彎矩均降低了33.3%以上，這說明剪力墻的內力大幅減少，隔震裝置對框剪結構受力狀態有明顯的改善作用。

3 結論

(1)框剪結構設置隔震系統之后，結構的樓層位移增加，但是沿高度分布趨于均勻，使結構的層間位移與地震反應內力明顯減小;

(2)對于以彎曲變形為主的高層建筑，隔震系統對頂部的減振效果明顯，有利于避免結構“鞭梢效應”，而底部的減振效果小于頂部;

(3)配置隔震裝置后，結構頂部柱剪力分配趨于均勻，剪力墻的內力大幅減少，對框剪結構受力狀態有明顯的改善作用。

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