大型框架隔振結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

孫東奇

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 阜新123000）

中國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯部位，地震斷裂帶較多，發(fā)育比較完全。中國(guó)大陸的地震相當(dāng)于世界大陸地震的1／3，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、分布廣，是一個(gè)受地震影響比較嚴(yán)重的國(guó)家。新中國(guó)成立至今60多年來，中國(guó)共有22個(gè)省（自治區(qū)、直轄市），其中涉及東部地區(qū)14個(gè)省份經(jīng)歷了100多次地震，由地震所帶來的傷害占全國(guó)各類災(zāi)害死亡人數(shù)的54%，所帶來的受災(zāi)面積有30多萬平方公里，房屋倒塌達(dá)700萬間。特別是在2008年5.12汶川地震中由于房屋垮塌導(dǎo)致大量人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)大陸地震占全球陸地地震的1／3，但是由地震帶來的人員傷害竟然達(dá)到世界總傷害的1／2以上，造成該結(jié)果的主要原因是地震引起的破壞烈度超過了震區(qū)的抗震設(shè)防烈度，導(dǎo)致大量的建筑破壞倒塌。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，政府與居民防震減災(zāi)意識(shí)的不斷提高，迫切需要防震減災(zāi)性能更好的建筑來保護(hù)生命減少財(cái)產(chǎn)損失。

1 大型框架隔振結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

框架結(jié)構(gòu)是以梁和柱組成的承重結(jié)構(gòu)，梁柱的連接方式有2種：鉸接或者剛接。框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中，通過梁和柱組成的框架來承擔(dān)出現(xiàn)的水平載荷和豎向載荷，而結(jié)構(gòu)的墻體僅其維護(hù)和分割作用，不承重。

框架結(jié)構(gòu)根據(jù)功能和特點(diǎn)分以下幾類：

按跨數(shù)分：?jiǎn)慰缃Y(jié)構(gòu)、多跨結(jié)構(gòu)；

按層數(shù)分：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)。

按立面份：對(duì)稱結(jié)構(gòu)、不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

按所用的材料分：混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)、膠合木框架接結(jié)構(gòu)、鋼與鋼筋混凝土混合框架結(jié)構(gòu)。

生產(chǎn)實(shí)際中，最常用的2種框架結(jié)構(gòu)是鋼框架結(jié)構(gòu)和混凝土框架結(jié)構(gòu)。混凝土框架主要用于跨度比較大的結(jié)構(gòu)，比如學(xué)校、住宅樓等。剛框架結(jié)構(gòu)主要用于大跨度的結(jié)構(gòu)，比如購物商場(chǎng)、火車站等。本文以鋼框架為例探討鋼架結(jié)構(gòu)的隔振性能。

框架結(jié)構(gòu)主要有梁和柱來承擔(dān)載荷，相比其他承重結(jié)構(gòu)，有其優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于設(shè)計(jì)工作者來說，要合理掌握其優(yōu)缺點(diǎn)，使其能更好的發(fā)揮自身性能，揚(yáng)長(zhǎng)避短，更好地為社會(huì)服務(wù)。

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

1）空間分隔靈活。

2）自重輕，節(jié)省材料。

3）便于裝配，施工方便。

4）可以節(jié)省工期。

框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：

1）框架結(jié)構(gòu)的梁柱裝配而成，屬于柔性框架，地震容易造成非結(jié)構(gòu)的破壞。

2）框架結(jié)構(gòu)施工受季節(jié)、環(huán)境影響較大。

3）框架結(jié)構(gòu)不適宜于高層建筑。一般適用于不超過15層的建筑。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)結(jié)構(gòu)均為框架結(jié)構(gòu)，在地震作用下造成的非結(jié)構(gòu)破壞比較多，如何保證框架結(jié)構(gòu)的抗震性能是目前研究所關(guān)注的主要問題。疊層橡膠減震支座由于其獨(dú)特的減震特性，近年來在框架結(jié)構(gòu)得到越來越多的應(yīng)用。本文以1棟8層的框架結(jié)構(gòu)為例探討研究疊層橡膠減震支座的應(yīng)用。

1.1 工程概況

采用的模型為華聯(lián)購物商廈鋼框架結(jié)構(gòu)，層數(shù)為8層，層高4m，總高32m。框架結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)6×8m＝48m。框架結(jié)構(gòu)總寬3×8m＝24m。鋼框架柱為矩形橫截面，尺寸為500mm×500mm。鋼框架結(jié)構(gòu)外環(huán)梁尺寸為300mm×500mm，內(nèi)環(huán)梁尺寸為250mm×500mm。樓板厚度為200mm。由于框架結(jié)構(gòu)的外墻只承擔(dān)維護(hù)作用，故建模不考慮墻體模型，僅建立梁、柱和樓板的模型。框架結(jié)構(gòu)實(shí)體模型見圖1框架有限元模型示意圖。

本框架結(jié)構(gòu)處于Ⅲ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級(jí)為Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100a。鋼材料選Q235鋼，楊氏模量為2×1011N／m2，泊松比為0.3，密度為7 850kg／m3。樓板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，彈性模量為3.0×1010N／m2，泊松比為0.2，密度為2 500kg／m3。

1.2 框架結(jié)構(gòu)有限元模型建立

框架結(jié)構(gòu)柱、梁的橫截面尺寸與其長(zhǎng)度的比值符合梁的特性，故框架柱、外環(huán)梁和內(nèi)環(huán)梁采用Beam188進(jìn)行模擬。分別給定梁橫截面的屬性以及相應(yīng)的材料屬性。梁柱有限元模型見圖2梁?jiǎn)卧Ｐ褪疽鈭D。樓板厚度相比其長(zhǎng)度和寬度較小，符合殼單元的特性。樓板建模采用殼模擬，選擇Shell181，給定樓板的厚度以及相應(yīng)的材料屬性。樓板有限元模型見圖3殼單元模型示意圖。

圖1 框架結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

圖2 梁?jiǎn)卧Ｐ褪疽鈭D

1.3 梁柱連接方式

鋼框架結(jié)構(gòu)梁柱的連接方式有2種：剛接和鉸接。本案例模型適用于剛接。

柱和梁均采用梁?jiǎn)卧M，其節(jié)點(diǎn)擁有相同的自由度，都為6個(gè)自由度，故其在交接處節(jié)點(diǎn)自由度匹配。剛接即代表交接處的節(jié)點(diǎn)所有自由度都相同。借助ANSYS軟件里面的合并節(jié)點(diǎn)的操作，對(duì)梁和柱的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并。合并節(jié)點(diǎn)后的有限元模型見圖4剛接有限元模型。

圖3 殼單元模型示意圖

圖4 剛接有限元模型

2 大型框架隔振結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

2.1 地震譜的選取

華聯(lián)購物商廈處于Ⅲ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級(jí)為Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100a。參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》選取地震響應(yīng)計(jì)算公式如下，地震頻譜表如表1所示。

表1 地震頻譜表

2.2 地震波的選取

以“中國(guó)天津地震豎向記錄”為例說明地震波的計(jì)算。天津地震波為豎向加速度波，記錄時(shí)長(zhǎng)為5s，時(shí)間間隔為0.01s，計(jì)算時(shí)每隔0.1s取一個(gè)值。地震波中所選取的數(shù)值無法直接用于計(jì)算，必須對(duì)其做相應(yīng)的處理才可用于分析。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)烈度為7度，根據(jù)國(guó)家地震局批準(zhǔn)的烈度表可知，最大水平加速度為0.125 g，而天津波實(shí)測(cè)的最大加速度為，因此必須對(duì)其做相應(yīng)折算才能用于實(shí)際的計(jì)算。對(duì)于7級(jí)地震一般選取av＝a／2，故天津地震波的記錄值需要乘以，處理后的地震波見表2地震波輸入值和圖5地震波與時(shí)間關(guān)系圖。

表2 地震波輸入值

續(xù)表2

圖5 地震波與時(shí)間關(guān)系圖

2.3 鋼框架地震響應(yīng)分析

要研究結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的地震載荷作用下各個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，因此選取地震波進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)求解有完全法、模態(tài)疊加法和縮減法3種計(jì)算方法。完全法采用完整的矩陣進(jìn)行計(jì)算，可以考慮結(jié)構(gòu)非線性。縮減法和模態(tài)疊加法相比完全法計(jì)算效率較高，縮減法是以主自由度和縮減矩陣進(jìn)行求解，模態(tài)疊加法是基于模態(tài)求解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的分析。本文模型規(guī)模不是很大，故采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)完全法進(jìn)行求解。

所采用的模型與模態(tài)分析一致，輸入的地震波曲線見圖5。分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在考慮減震和不考慮減震的情況下，框架頂端位移、頂層加速度和基地剪力隨時(shí)間的變化情況。

水平地震加速度情況下頂層X方向位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線見圖6～7。

圖6 頂層位移響應(yīng)曲線對(duì)比圖

圖7 頂層加速度響應(yīng)曲線對(duì)比圖

豎向地震加速度情況下頂層Y方向位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線見圖8～9。

圖8 頂層位移響應(yīng)曲線對(duì)比圖

從圖6～9結(jié)果對(duì)比可知：

圖9 頂層加速度響應(yīng)曲線對(duì)比圖

1）在水平地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層X方向位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線與水平地震波曲線趨勢(shì)基本一致。

2）水平地震作用下，考慮隔振的頂層X方向位移最大值較未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震有利。

3）水平地震作用下，考慮隔振的頂層X方向加速度最大值相比未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座后在地震作用情況下，結(jié)構(gòu)能夠承受更大的加速度的沖擊。

4）在豎向地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層Y方向位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線與豎向地震波曲線趨勢(shì)基本一致。

5）豎向地震作用下，考慮隔振的頂層Y方向位移最大值較未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震有利。

6）豎向地震作用下，考慮隔振的頂層Y方向加速度最大值相比未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座后在地震作用情況下，結(jié)構(gòu)能夠承受更大的加速度的沖擊。

7）通過研究水平地震波和豎向地震波下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)可知，采用疊層橡膠支座后結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能較未考慮隔振有明顯提高。

3 結(jié) 論

為了研究疊層橡膠支座的抗震特性，本文以華聯(lián)購物商廈為例，分別進(jìn)行了模態(tài)分析和地震響應(yīng)分析。通過分析得到以下結(jié)論：

1）采用疊層橡膠支座后，結(jié)構(gòu)的固有頻率相比未考慮隔振的頻率要低。

2）同階陣型情況下，框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)趨勢(shì)基本一致。考慮疊層橡膠支座的框架結(jié)構(gòu)整體都有振動(dòng)特性，未考慮隔振的結(jié)構(gòu)底部振動(dòng)不如采用隔振后的結(jié)構(gòu)明顯，這與理論一致。

3）在水平地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層X方向位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線與水平地震波曲線趨勢(shì)基本一致。考慮隔振X方向位移最大響應(yīng)和最大加速度相比未考慮隔振要大。

4）在豎向地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層Y方向位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線與豎向地震波曲線趨勢(shì)基本一致。考慮隔振Y方向位移最大響應(yīng)和最大加速度相比未考慮隔振要大。

5）通過對(duì)華聯(lián)商廈框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析可知，采用疊層橡膠支座后結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能較未考慮隔振有明顯提高，驗(yàn)證了疊層橡膠支座的隔振效果，對(duì)于工程實(shí)踐有理論的指導(dǎo)意義。

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