多層裝配式框架基礎隔震結構的地震響應分析*

曾雪涵,麻海蘭,劉許方

(1. 西南科技大學土木工程與建筑學院,四川 綿陽 621010；2. 四川汽車職業技術學院，四川 綿陽 621000)

引言

與傳統建筑相比，裝配式建筑的現場拼裝方式，導致節點間連接強度降低，建筑物整體抗震性能不足，難以在中高烈度地區推廣，因此裝配式建筑廣泛應用的關鍵就在于提高其抗震性能.裝配式建筑抗震性能的提高可從兩方面考慮：一是加強上部結構構件間的連接；二是運用基礎隔震技術.目前有許多增強節點連接的相關研究，但其弊端在于裝配式建筑連接節點繁多，設計與計算等工作量很大.基礎隔震技術將計算與構造形式等設計集中在了隔震層，是一種更為簡便的方法.

2012年，衛杰斌和譚平研究員等人采用動力彈塑性理論，分析出層間隔震可使高層裝配式建筑抗震性能提高一度，但沒有多層建筑抗震性能提升明顯[1～2].2013年，劉樂利用ABAQUS有限元軟件，提出了一種針對集裝箱結構的層層滑移隔震體系，此體系減小了結構各層最大位移和結構層間位移角，提高了集裝箱結構的抗震能力[3].2016年，黃敦堅在位移的抗震性能化設計方法基礎上，提出了基于目標位移的模塊化結構層間隔震設計流程，研究發現隨著隔震層位置的上移，模塊化建筑的隔震效果逐漸減弱，因此，為提高隔震性能，應盡可能不在結構1/2高度以上的范圍內設計隔震層[4].2018年，任佳妮等人以天津市靜海白領宿舍公寓為案例，探究了鋼結構的模塊-框架復合建筑結構的基礎隔震設計,研究發現基礎隔震設計使結構表現出良好的隔震效果，并且其隔震效果更好[5].

通過以上內容的分析，多層裝配式建筑采用基礎隔震技術設計更加簡單且具有更好的抗震效果，但目前這方面國內的研究與應用還甚少.本文利用ANSYS軟件，針對三層鋼筋混凝土裝配式框架結構的民居，提出了一種新型的柔性連接方式，將基礎與上部結構間傳統的剛性連接優化為具有隔震效果的柔性連接.通過建筑上部結構的周期、層間位移、層間位移角和頂層加速度等，分析多層裝配式建筑在罕遇地震作用下的響應情況，探究柔性連接的隔震效果，為裝配式建筑的基礎隔震技術研究，提供一定的參考.

1 裝配式鋼混框架結構民居工程背景

選取一個三層鋼筋混凝土裝配式框架結構的居民為原型建立仿真模型，場地類別為Ⅱ級，設計地震分組為第二組，地震設防烈度7度(0.1 g)，特征周期為0.4，總質量約7×105 kg，建筑物一層高3.6 m,二層高3.3 m，三層高3 m,共9.9 m高,建筑結構阻尼比為0.05，一層共28根柱子，柱子截面尺寸均為400 mm×400 mm，梁截面尺寸均為200 mm×400 mm，底層地板厚300 mm，其余各層板厚200 mm，均采用C25混凝土.

2 建筑物有限元參數選取及邊界條件設置

主要探究基礎隔震框架結構的整體抗震性能，因此簡化模型，假定鋼筋和混凝土受力過程中滿足平面和變形協調條件，將鋼筋混凝土視為均質材料，鋼筋相比混凝土所占比重很小，并且為體現裝配式建筑連接強度更低，因此鋼筋混凝土的密度設定為2 500 kg/m3，彈性模量等效為混凝土的彈性模量2.8×104MPa，泊松比為0.2，框架結構梁柱采用Beam188單元，板采用Shell63單元類型[6]， 圖 1為裝配式民居上部結構模型.隔震裝置簡化為水平向combin14單元類型的彈簧組進行模擬，預設隔震建筑可在罕遇地震波下降低約1度的地震作用，即水平向減震系數為0.5，經計算[7]隔震層剛度設為16.5 kN/mm為宜，每個柱子下均布置一個隔震裝置，即每個隔震裝置的隔震剛度設為0.59 kN/mm，本文彈簧單元剛度設為0.6 kN/mm，探究隔震裝配式建筑的抗震性能.

無隔震裝置的裝配式建筑底部施加固定約束，具有隔震裝置的裝配式建筑底部添加彈簧組形成柔性約束.

圖1 裝配式民居仿真模型

3 地震波選取

根據抗震規范規定[8]，選取兩條天然地震波EI-Centro波(見圖2)和蘭州波(見圖3)，一條人工唐山地震波(見圖4)進行時程分析，均持時約20 s,三向加速度設置值X向∶Y向∶Z向=1∶0.85∶0.65[9].

圖2 EI-Centro波時程加速度

圖3 蘭州波時程加速度

圖4 人工唐山地震波時程加速度

4 數值結果分析

三種波下均可反映隔震裝配式建筑與非隔震裝配式建筑的地震響應情況，因此任意選取了蘭州波三向罕遇地震作用下的建筑物模態分析和時程分析結果進行詳細的對比研究.

4.1 模態結果對比分析

本文提取了前六階結構自振頻率具體數據體現在表格中，并繪制了前十階結構自振周期點線圖進行分析，由前六階結構自振頻率對比表1與圖5可得，相對于非隔震建筑，隔震建筑的前六階自振周期均明顯延長，并且第三階振型時兩者的自振周期相差最大，約2.88倍，說明抗扭轉變形效果增加良好，其次是第一階振型自振周期相差大，約2.57倍，到高階振型時則相差無幾.

表1 前六階結構自振頻率對比

圖5 前十階結構自振周期對比

同時提取非隔震和隔震模型的前三階振型圖(見圖6～圖8)分析得，非隔震結構和隔震結構前兩階振型呈現為水平方向的平動為主，并且隔震結構的平動位移更小；第三階振型呈現扭轉變形為主，隔震結構的扭轉變形更小，且每層幾乎一致，表明結構的振型分析正確，并且基礎隔震裝置的應用具有良好的減震效果.

圖6 非隔震(左)與隔震(右)一階模態

圖7非隔震(左)與隔震(右)二階模態

圖8非隔震(左)與隔震(右)三階模態

4.2 層間位移與層間位移角結果對比分析

由圖9、圖10分析得，在三向罕遇地震波作用下，隔震裝配式建筑模型的層間水平最大位移與層間位移角均明顯小于非隔震裝配式建筑模型，并且在蘭州7度罕遇地震作用下，隔震裝配式建筑模型層間位移角可符合規范規定的限值1/550，說明建筑仍在彈性范圍內工作，建筑可繼續使用，而非隔震裝配式建筑在三條地震波影響下，層間位移角均超限值，表明已不能正常使用.另外由圖可得出層間位移與層間位移角均是第二層最大，兩圖變化趨勢一致.綜上，柔性基礎隔震約束下的裝配式民居的抗震性能明顯提高.

圖9 結構層間位移對比

圖10 結構層間位移角對比

4.3 最大加速度結果對比分析

由圖11分析得，三條地震波作用下最大加速度的共同點為從底層到頂層逐漸增大，并且隔震建筑的層間加速度均小于非隔震建筑，區別在于：EL-Centro7度罕遇三向地震波作用下，隔震建筑的底層和二層樓板最大加速度均大于非隔震建筑,第三層和屋面板的最大加速度均小于非隔震建筑，而蘭州和人工唐山7度罕遇三向地震波作用下的結果較為一致，隔震建筑底層最大加速度大于非隔震建筑，從二層樓板開始，最大加速度均遠小于非隔震建筑.

圖11 結構每層最大加速度對比

5 結論

本文采用ANSYS軟件建立仿真模型，研究了三層裝配式鋼筋混凝土框架結構民居在柔性基礎隔震技術下的動態響應，研究結果表明：

(1)由模態分析得，裝配式隔震民居的自振周期明顯長于非隔震民居，第三階自振周期相差最大，約2.88倍，表明抗扭轉效果最好，其次第一階自振周期相差大，約2.57倍抵抗平動位移變形好.

(2)在7度罕遇三向地震波影響下，裝配式隔震民居層間位移、層間位移角都明顯小于非隔震民居，并且在蘭州7度罕遇地震作用下，隔震結構可繼續處于彈性層間位移角限值1/550以內，而非隔震結構已超過限值進入塑性狀態；同時，裝配式民居頂部的最大加速度均遠小于非隔震裝配式民居，以上結果均表明裝配式建筑基礎隔震的應用是有必要且很有效果的.

(3)在滿足相應規范及隔震目標的條件下，裝配式民居柱底隔震裝置的布置可以適當減少，從而減少經濟耗費.

本文對于多層裝配式鋼混框架柔性基礎隔震結構還處于初步研究階段，為后續基礎柔性隔震裝置的深入研究提供了依據與可行性，同時以期為基礎隔震技術在裝配式建筑中的研究與應用提供參考.