基于SAP2000的多層框架教學樓隔震分析

袁 野

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

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基于SAP2000的多層框架教學樓隔震分析

袁 野

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

以某鋼筋混凝土多層框架結構教學樓工程為例，采用有限元軟件SAP2000，對隔震結構和非隔震結構進行模態和時程分析，并對兩種結構的分析結果進行了對比，結果表明，結構布置隔震支座后，可以有效延長結構自振周期，減小層間剪力和位移。

框架結構，隔震結構，鉛芯橡膠支座，時程分析

0 引言

地震是一種突發性、毀滅性的自然災害，它對人類的生命和財產構成非常嚴重的威脅，一次突發性的大地震可使整個城市在短時間之內變成一片廢墟[1]。地震還可能會引發火災、海嘯和瘟疫等次生災害。我國是世界上多震害國家之一，從地震分布特征看，我國處于世界兩大地震構造系的交匯部位[2]。隨著科學技術的發展，人們對于地震帶來的安全問題越來越重視，我國學者也在這方面做了很多的研究。在傳統的抗震研究中，所采取的抗震方法主要是消極地對建筑結構采取加強的措施，體現在“抗”震上，依靠結構自身的承載能力、變形能力和耗能能力來抵抗地震作用。近年來各國學者對于抗震研究有了新的想法，致力于減小結構中地震能量的輸入，減小結構的地震響應，從而達到保護結構的目的。

本文以一個鋼筋混凝土多層框架教學樓結構為背景，根據規范以及相關手冊[3,4]的要求，為該結構體系設計隔震支座體系，并用大型有限元軟件SAP2000對該隔震結構進行分析。通過與非隔震結構進行對比分析得出隔震結構的隔震效果，為類似工程結構提供參考。

1 模型概況及SAP2000建模

1.1 工程概況

本文中工程為一棟鋼筋混凝土多層框架教學樓結構，共6層，建筑總高度22.95 m(不包括基礎埋深)。采用7度半的抗震設防烈度，屬于重點設防類建筑，所屬場地分類為Ⅳ類，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值0.15g。整個框架結構均采用C30混凝土?？紤]到建筑設計可行性及性價比等因素，采用隔震技術，減小房屋的地震作用。

1.2 SAP2000建模

用有限元分析軟件SAP2000對該框架結構進行建模，三維模型如圖1所示。節點總數542個，框架單元1 028個，面單元282個，連接單元40個。結構長度方向為X軸，寬度方向為Y軸，豎向為Z軸。

1.3 輸入地震荷載

本文地震輸入采用設計院提供的天然地震波，地震持續時間60 s，設置3 000個時間步。

地震荷載加速度時程如圖2所示。

2 隔震支座選擇及布置

為達到隔震目的，需要通過在支座處設置隔震裝置，延長結構自振周期從而減小地震作用。依據結構在自重及荷載作用下底層支座軸力，選取隔震支座，將隔震層設置在基礎頂面，布置隔震支座，并在X向和Y向設置阻尼器，以增加結構初始剛度，限制水平位移。本文中選擇的全是鉛芯橡膠支座，其性能參數及數量如表1所示，布置如圖3所示。

表1 隔震支座的技術參數

3 SAP2000有限元分析結果

3.1 模態分析結果

對未布置隔震支座的結構和布置隔震支座的結構分別進行模態分析，得到兩個模型的一階、二階和三階振動周期如表2所示。由表2數據可知，在布置隔震支座后，結構的振動周期明顯延長，成功避開了場地卓越周期，避免了共振的發生，從而有效地減小了結構的地震響應。

表2 隔震與非隔震結構周期對比 s

3.2 隔震結構與非隔震結構時程分析的層間剪力對比分析

對隔震結構和非隔震結構在相應地震荷載作用下進行時程分析，得到兩個結構在Y向的層間剪力值如表3所示，其變化曲線如圖4所示。

表3 隔震與非隔震結構Y向層間剪力對比 kN

由圖4可知，在布置隔震支座后，層間剪力顯著減小，隔震結構的地震響應顯著減小。

3.3 隔震結構與非隔震結構時程分析的層間位移和層間轉角對比分析

對隔震結構和非隔震結構在相應地震荷載作用下進行時程分析，得到兩個結構分別在X向和Y向的層間位移和轉角如表4和表5所示，相應對比分析曲線如圖5和圖6所示。

表4 隔震與非隔震結構X向層間位移和轉角

位置層高/mX向非隔震結構隔震結構層間位移/m層間位移角層間位移/m層間位移角14.05.711×10-41.428×10-45.480×10-41.370×10-423.79.084×10-42.455×10-45.373×10-41.452×10-433.77.272×10-41.965×10-46.522×10-41.763×10-443.74.637×10-41.253×10-46.520×10-41.762×10-453.71.758×10-44.751×10-55.488×10-51.483×10-564.157.160×10-51.725×10-54.669×10-51.125×10-5

表5 隔震與非隔震結構Y向層間位移和轉角

由層間位移及轉角的對比分析可知，隔震結構的層間位移和層間轉角較非隔震結構明顯減小，說明隔震結構的地震響應顯著減小，從而也可說明對于鉛芯橡膠支座，在支座布置合理的情況下，可以有效地起到隔震作用。

4 結語

本文對一個鋼筋混凝土多層框架教學樓結構布置了隔震支座，并用有限元軟件SAP2000對非隔震和隔震結構進行模態和時程分析。從分析結果可知，在合理布置隔震支座后，結構的振動周期明顯增大，層間剪力、位移和轉角明顯減小，說明布置隔震支座后使得結構避開了場地卓越周期，避免了結構共振的發生，有效地減小結構的地震響應。本文中選用的是鉛芯橡膠支座，從隔震效果可以看出，鉛芯橡膠支座對于結構具有很好的隔震效果。

[1] 周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[2] 李國強，李 杰.地震工程學導論[M].北京:地震出版社,1992:1-348.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[4] 黨 育，杜永峰，李 慧.基礎隔震結構設計及施工指南[M].北京:中國水利水電出版社，知識產權出版社,2007:1-258.

[5] 龔 健，周 云，鄧雪松.某摩擦擺隔震框架結構地震反應分析[J].土木工程學報,2012,45(S2):146-150.

The earthquake isolation analysis of multi-story frame teaching building based on SAP2000

Yuan Ye

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the teaching building engineering with steel reinforced concrete multi-layer framwork structure as an example, the mode and time-history analysis were carried out for isolated and non-isolated structures based on SAP2000. Through the comparative analysis about the results of the two structures, the results show that: when the structure was arranged isolation bearings, the structure natural vibration periods was effectively extended, the interlayer shear force and displacement were decreased.

frame structure, isolated structure, lead rubber bearing, time-history analysis

1009-6825(2016)24-0031-02

2016-06-13

袁 野(1989- )，男，在讀碩士

TU352

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