基礎(chǔ)隔震偏心結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

【摘 要】本文對比分析了隔震和非隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，探討了結(jié)構(gòu)隔震體系的減震機(jī)理，建立了非線性動力時程分析計算模型。介紹了基礎(chǔ)隔震在某一偏心結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，采用ETABS有限元分析程序?qū)ζ溥M(jìn)行了動力非線性時程分析，計算結(jié)果表明:基礎(chǔ)隔震能有效降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，隔震層的變形控制在安全的范圍之內(nèi)，同時也說明隔震不但能適用與一般規(guī)則的結(jié)構(gòu)，對于偏心結(jié)構(gòu)同樣適用。

【關(guān)鍵詞】基礎(chǔ)隔震；ETABS；動力非線性時程分析；地震反應(yīng)

1 引言

隔震是通過調(diào)整原有結(jié)構(gòu)體系的自振周期，使其遠(yuǎn)離地震地面運(yùn)動的卓越周期，從而有效的降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)[1]。對于隔震技術(shù)，國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究，并已在很多工程中得到實(shí)際應(yīng)用，其中一些的抗震性能已經(jīng)在地震中得到驗(yàn)證。但是，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的造型復(fù)雜多變，經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量中心和剛度中心常常不重合的情況，這時結(jié)構(gòu)在地震力的作用下，除了發(fā)生水平方向的平動外，還會發(fā)生平動反映耦連的扭動反映。研究表明：即使隔振層偏心和小，上不結(jié)構(gòu)的偏心仍然會使結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，而且增加結(jié)構(gòu)周期會增加結(jié)構(gòu)偏心的影響[2]。因此，基礎(chǔ)隔震偏心結(jié)構(gòu)的地震研究具有非常重要的意義。

2 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動力運(yùn)動方程

2.1 隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析模型

隔震體系隔震層上部結(jié)構(gòu)一般層數(shù)不多、剛度較大，在大震作用下一般處于彈性狀態(tài)，因此可以簡化為多自由度剪切模型。假定樓板為絕對剛性， 在振動方向上同層各框架的位移相同。將各層的重量集中在樓板上，柱和墻的重量分為兩半各向上、下樓面集中，柱和墻本身用一無重量的彈性直桿代替。

2.2 隔震結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)簡化為多自由度剪切模型，基礎(chǔ)隔震層為第一層，層間剪切剛度取為基礎(chǔ)隔震支座的水平剛度，其層質(zhì)量取為基礎(chǔ)隔震支座總質(zhì)量與底層下半層質(zhì)量之和，各質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量采用集中質(zhì)量法計算[3]，其運(yùn)動方程為:

對上部結(jié)構(gòu)有：

[M]{ } + [C]{ } + [K]{U} = - [M][R] （{ } + { }）

對隔震層有:

M{ } + {I}’[ M]{ } + Cb{ } + fs（Ub） = -M{ }

其中， M = mb + {I}’[M]{I}，式中: [ M] 為上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；[C] 為上部結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；[K] 為上部結(jié)構(gòu)剛度矩陣； [R]為地震影響矩陣；{U} 為上部結(jié)構(gòu)位移向量；{Ub} 為隔震層位移向量；{Ug} 為地面運(yùn)動位移向量；{I} 為單位列向量。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某工程為一待建博物館。結(jié)構(gòu)為六層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中主體4層，局部2層，無地下室。主樓縱向長72.0 m，橫向?qū)?1.5m，總高度26m。建筑場地類型為Ⅱ類，特征周期為0.35s。抗震設(shè)防烈度按8度進(jìn)行抗震計算，基本地震加速度值0.2g，設(shè)計地震分組為第一組，按9度要求采取抗震措施。

由于該建筑的特殊用途，故其造型也有別于一般建筑：主體結(jié)構(gòu)每增高一層，柱子內(nèi)縮375mm，角柱則往45°方向內(nèi)縮530mm。該工程位于地震高烈度區(qū)，按照傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法和建筑特殊功能的要求，在滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求的前提下，結(jié)構(gòu)的截面尺寸將會很大，這樣帶來工程造價將大幅度提高，同時建筑的使用功能也受到限制。

為防止建筑物在可能發(fā)生的大震中結(jié)構(gòu)構(gòu)件因彈塑性變形而損壞，該工程采用了隔震技術(shù)，共布置了2種型號共78個橡膠支座。其中LRB-G4-D700-Tr140-C140型號43個，LRB-G4-D800-C160-Tr144型號19個，LNR-G4-D800-C40-Tr162型號29個。

4 地震反應(yīng)分析

4.1 計算模型及地震波的選取

該建筑用途為博物館，其抗震設(shè)防類別為乙級。結(jié)構(gòu)模型采用國際通用的大型有限元非線性分析程序ETABS建立了包括隔震層上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)整體有限元分析模型；按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求采用的地震波不應(yīng)少于3條，該工程設(shè)計擬采用3條地震波：天然波選擇與規(guī)范地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符的強(qiáng)震記錄2條（修正ElCentro波和修正Taft波），人工波選擇場地地震地質(zhì)環(huán)境評價報告提供的地震動參數(shù)生成了符合“規(guī)范”要求的地震波[4]。本文主要分析結(jié)構(gòu)在7度多遇地震下， 8度和9度罕遇地震下的地震反應(yīng)。

4.2 多遇地震下結(jié)構(gòu)層剪力比

本文采用結(jié)構(gòu)隔震與非隔震各樓層最大層間剪力對比來確定隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)，層間剪力采用時程分析結(jié)果。從分析結(jié)果知該工程在7度多遇地震作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力的最大比值為0.404，根據(jù)“規(guī)范”規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)在不降低烈度設(shè)計的情況下，水平地震作用具有0.5度強(qiáng)度儲備。

4.3 罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下破壞主要發(fā)生彈塑性變形為主，本文通過分析隔震后結(jié)構(gòu)在8度罕遇和9度罕遇地震作用下各層的絕對加速度和位移角來衡量結(jié)構(gòu)的減震性能。

4.3.1 加速度反應(yīng)

從結(jié)構(gòu)隔震和非隔震結(jié)構(gòu)上部橫向、縱向各層絕對加速度分析得到以下結(jié)果：在8度和9度罕遇地震作用下，博物館的加速度放大系數(shù)最大值分別為0.82和0.78，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)，這對保護(hù)博物館文物是非常重要的。

4.3.2 結(jié)構(gòu)層間位移角

從該工程隔震上部結(jié)構(gòu)在8度和9度罕遇地震作用下分析結(jié)果可知，橫、縱向?qū)娱g位移角倒數(shù)在8度罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的層間位移角最大為1/591，符合抗規(guī)要求彈性層間位移角不大于1/550的限制；在9度罕遇地震作用下，博物館隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的層間位移角最大為1/373，符合抗規(guī)要求彈性層間位移角不大于1/50的限制。

4.3.3 隔震層水平位移

按現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范要求對各個隔震支座進(jìn)行最大水平位移驗(yàn)算。按照規(guī)范要求，橡膠墊最大水平位移限值為3T與0.55D的較小值[5]（ T為隔震支座橡膠層的總厚度，D為隔震支座的直徑），本工程中隔震墊的水平位移限值為385 mm。通過分析可知：結(jié)構(gòu)在8度罕遇和9度罕遇地震作用下均滿足隔震層最大允許位移限值的規(guī)定。

5 結(jié)語

通過對結(jié)構(gòu)隔震與非隔震地震響應(yīng)對比分析可知：在多遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)層剪力減小，層間相對位移也顯著的減小，；在大震作用下，隔震結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作階段，使結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)抗震設(shè)計的“大震不倒”提高到“大震不壞”，同時證明，偏心結(jié)構(gòu)使用隔震技術(shù)同樣取得很好的減震效果，更加有利于隔震技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳香香，李宏男.結(jié)構(gòu)偏心對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[J]. 地震工程與工程振動.

[3]黃海生，王柏生.基礎(chǔ)隔震建筑非線性動力響應(yīng)的時程計算方法[J]，振動與沖擊.

[4]唐家祥，劉再華.建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震[M] . 武漢:華中理工大學(xué)出版社，1993.

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