基于有限元軟件的高阻尼橡膠隔震支座研究

王 君

(張家口第一建筑工程集團(tuán)有限公司,河北 張家口 075000)

0 引言

歷史上因?yàn)榈卣馂?zāi)害導(dǎo)致的建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的事件數(shù)不勝數(shù)，結(jié)構(gòu)的破壞造成的人員傷亡難以承受，并且會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，使城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展停滯。因此迫切的需要對(duì)隔震技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究與發(fā)展。目前，我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)最常見(jiàn)的是鉛芯疊層橡膠隔震支座，但是，鉛芯的使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成不可逆的污染，同時(shí)該技術(shù)在低溫環(huán)境下有著顯著的缺陷，試驗(yàn)研究顯示鉛芯疊層橡膠隔震支座在低溫條件下容易迅速硬化，而且在低周疲勞的作用下支座中的鉛芯容易發(fā)生剪切破壞，大大降低支座的阻尼性能。在此基礎(chǔ)上研究人員提出了性能穩(wěn)定的高阻尼橡膠隔震支座，該支座同時(shí)具有高阻尼和高隔震的性能，同時(shí)沒(méi)有有害物質(zhì)，能夠在避免環(huán)境污染的同時(shí)保證工程結(jié)構(gòu)的安全。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Tsai等人對(duì)高阻尼橡膠支座的剪切性能進(jìn)行了一系列的研究，針對(duì)加載速度和剪切變形等因素對(duì)支座的剪切性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且提出了支座的水平恢復(fù)力模型，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其正確性。Burtscher等人為研究不同形式的高阻尼橡膠隔震支座的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，主要對(duì)其支座形狀系數(shù)以及鋼板的不同形式對(duì)支座的豎向剛度以及水平剪切性能的影響進(jìn)行了研究、分析，結(jié)果表明二者對(duì)支座的豎向剛度以及水平剪切性能等力學(xué)性能影響較大。Masashi Yamamoto等人進(jìn)行了高阻尼橡膠隔震支座的水平剪切性能實(shí)驗(yàn)，分析了雙向耦合效應(yīng)與支座的水平剪切性能的相關(guān)關(guān)系，并提出了支座的水平恢復(fù)力模型。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。在國(guó)內(nèi)，研究人員也加入到了對(duì)高阻尼橡膠隔震支座的研究當(dāng)中，沈朝勇、周福霖等人[1]采用反復(fù)加載實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)新型橋梁高阻尼橡膠隔震支座的水平剪切性能的影響因素進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，分別研究了高阻尼支座的剪應(yīng)變相關(guān)性、壓應(yīng)力相關(guān)性、溫度相關(guān)性、老化相關(guān)性等試驗(yàn)，研究了相關(guān)的因素對(duì)支座的屈服強(qiáng)度、等效剛度、等效阻尼比等性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高阻尼橡膠隔震支座的阻尼特征受加載頻率、溫度、老化、反復(fù)加載次數(shù)的影響較大，而剛度則受其影響較小。庾光忠、周函宇等人[2]對(duì)高阻尼橡膠材料的配方進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，并且制作了實(shí)物模型并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該支座的設(shè)計(jì)合理性。通過(guò)建立非線性動(dòng)力分析模型，相關(guān)結(jié)果相符合。孫冬冬、李吉?jiǎng)偟热薣3]研究制作了直徑為600 mm的高阻尼橡膠支座的實(shí)物模型，并對(duì)其進(jìn)行剪切應(yīng)變相關(guān)性試驗(yàn)，驗(yàn)證等效水平剛度與等效阻尼比與剪切應(yīng)變的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等效水平剛度隨剪切應(yīng)變的增加而減小。

2 有限元分析

2.1 工程概況

本工程為一6層框架混凝土結(jié)構(gòu)，自基礎(chǔ)頂面至屋面板的總高度為6×3.6=21.6 m，柱網(wǎng)尺寸為6×4，X向5跨Y向4跨，層高3.6 m，采用8度抗震設(shè)防烈度，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限：50年，二類a環(huán)境，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，建筑結(jié)構(gòu)阻尼比：0.05，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)采用C30混凝土、HRB335鋼筋、HPB300箍筋結(jié)構(gòu)尺寸分別為立柱尺寸：700 mm×700 mm；主梁尺寸：700 mm×300 mm；次梁尺寸：600 mm×300 mm；樓板厚：120 mm。作用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值分別為：樓面均布永久荷載為3 kN/m2；樓面均布活荷載為q=2 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.45，其體形系數(shù)1.3，考慮到建筑設(shè)計(jì)的安全與實(shí)用，采用隔震技術(shù)以減小房屋的地震反應(yīng)。

2.2 SAP2000建模

采用SAP2000有限元軟件對(duì)該6層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,本文對(duì)結(jié)構(gòu)輸入地震波el-centro波和tangshanSN波，對(duì)結(jié)構(gòu)施加地震作用，分別定義反應(yīng)譜函數(shù)和時(shí)程函數(shù)以及反應(yīng)譜工況和時(shí)程工況以便進(jìn)行地震模擬和分析。

時(shí)程工況輸出時(shí)段數(shù)定義為1 500，輸出時(shí)段大小0.02。由于本模型單位選擇N·mm，因此在定義反應(yīng)譜工況時(shí)將比例系數(shù)定義為9 800。

2.3 隔震支座的選擇

為了達(dá)到隔震目的，需要通過(guò)在支座處設(shè)置隔震裝置，以起到延長(zhǎng)自振周期避免共振的目的，本文選擇布置高阻尼橡膠隔震支座。在布置隔震支座前，首先通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行分析，得到在重力荷載下的柱底反力，結(jié)構(gòu)要求豎向壓應(yīng)力不得超過(guò)12 MPa，并通過(guò)公式,計(jì)算柱底處最小直徑。再通過(guò)結(jié)構(gòu)的基底剪力求得所要求支座的水平屈服力,因此選擇尺寸為620 mm×620 mm的高阻尼橡膠隔震支座，隔震支座全部布置在結(jié)構(gòu)柱底。

2.4 SAP2000有限元分析

2.4.1模態(tài)分析結(jié)果

分別對(duì)未布置隔震支座的基本結(jié)構(gòu)與布置高阻尼橡膠隔震支座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到地震反應(yīng)數(shù)據(jù)。分別對(duì)二者的振動(dòng)周期進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，當(dāng)結(jié)構(gòu)布置隔震結(jié)構(gòu)時(shí)前三階的周期為隔震時(shí)的4倍左右。顯然，布置高阻尼橡膠隔震支座在很大程度上延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的自振周期，可以有效的避免共振的產(chǎn)生，進(jìn)而減小地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

2.4.2基底剪力時(shí)程分析

通過(guò)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析，可得到兩種結(jié)構(gòu)在el-centro波和tangshanSN波的作用下，在X方向產(chǎn)生的基底剪力數(shù)據(jù)，通過(guò)使用excel表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，得到基底剪力時(shí)程曲線對(duì)比圖，從曲線對(duì)比圖可以直觀的看出當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加隔震支座后基底剪力明顯減小，波動(dòng)更加平緩，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著降低。

2.4.3層間剪力對(duì)比分析

對(duì)原結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)分別在el-centro波和tangshanSN波的作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析，可以得到兩個(gè)結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的層間剪力值，可以看出無(wú)論從X向還是Y向，當(dāng)結(jié)構(gòu)施加高阻尼橡膠隔震支座后，層間剪力幾乎是未隔震結(jié)構(gòu)的1/3，有明顯的減小，隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)成倍降低。

3 分析總結(jié)

本文對(duì)一個(gè)6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)布置了高阻尼橡膠隔震支座，并用SAP2000有限元軟件分別對(duì)布置隔震支座的結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析與時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)基底剪力、層間剪力、周期等數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以明顯的看出布置高阻尼隔震支座的結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)無(wú)論是從層間剪力、基底剪力還是自振周期等方面均有大幅度的優(yōu)化，能夠有效的避免結(jié)構(gòu)的共振，可以明顯看出，當(dāng)受到地震作用的時(shí)候布置隔震支座的結(jié)構(gòu)能夠有效的減小地震的反應(yīng)，高阻尼橡膠隔震支座的隔振效果良好。

4 發(fā)展與展望

高阻尼橡膠隔震支座是一種水平恢復(fù)力、豎向承載力、阻尼(耗能)為一體的隔震支座[4]，通過(guò)眾多學(xué)者的研究實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以看出高阻尼橡膠隔震支座的滯回特點(diǎn)飽滿，耗能效果顯著，并且相對(duì)于一般橡膠支座不需要另加阻尼裝置，可以降低整體造價(jià)，大震后的殘余變形較小，耐久性比較好，減少了維修費(fèi)用，HDR高阻尼橡膠隔震支座受溫度影響較小，可以廣泛的應(yīng)用于全國(guó)各地。而且與現(xiàn)在最常用的鉛芯橡膠隔震支座相比，高阻尼橡膠隔震支座沒(méi)有外加污染性材料，更加環(huán)保。現(xiàn)在高阻尼橡膠隔震支座已大量應(yīng)用于橋梁工程，但其在房屋建筑結(jié)構(gòu)中仍缺少實(shí)踐驗(yàn)證，因此，我們?nèi)孕鑼?duì)高阻尼橡膠隔震支座進(jìn)行進(jìn)一步的探索與研究，使其能夠在維持較低的造價(jià)的同時(shí)，達(dá)到更加安全、耐久、抗老化的效果，能夠更好地發(fā)揮隔震性能。