某多層框架結構隔震分析

孫永

摘 要：本文以云南某養老院為例，采用基礎隔震措施，對上部結構進行隔震控制分析。利用盈建科（YJK）建模的快捷方便性，結構模型在YJK中建立，并通過YJK軟件自帶接口進行YJK—ETABS模型轉換。利用快速非線性分析FNA方法，分別對非隔震與隔震結構進行設防地震和罕遇地震下的非線性振型積分法分析，結果表明：隔震支座通過水平變形能夠有效地耗散地震力，且延長建筑結構基本周期，增加整體結構阻尼，大大避開場地特征周期，對地震波中的高頻能量起到明顯地過濾效果。使結構體系改變成柔性體系，隔震思路從傳統硬抗震到軟隔震的轉變，從而很大程度地隔離地震能量傳遞到上部結構，減小結構動力響應，達到隔震控制的目的。采用隔震裝置后的上部結構隔震效果顯著，滿足結構抗震需求。

關鍵詞：基礎隔震;FNA方法;ETABS

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.065

0 引言

隨著我國社會與國民經濟快速發展，基礎設施建設達到高潮期，建筑結構大致呈現出幾個特點，建筑大規模、大面積、大數量、結構長大化、高聳化，以及復雜化。現在面臨一個問題，多數大中型城市的復雜建筑還未經受大地震考驗，且我國是一個地震頻發國，基礎設施建設有很多緊靠或跨越地震斷層，仍有大量不滿足抗震要求的新舊建筑。在以往地震災害中，布置隔震裝置后的建筑結構，往往發生破壞的概率比較低，即更為安全可靠，隔震效果明顯，具有良好的隔絕地震優勢。

隔震技術屬于典型的被動控制技術，自上世紀60年代誕生以來，各國學者對此展開深入研究，使其應用也越來越廣泛，目前隔震技術已趨于成熟。我國于上世紀80年代引進，1996年，唐家祥以實際隔震工程為背景，闡述了基礎隔震的設計方法與原則，并對比同期修建的非隔震工程決算費用，研究表明采用隔震措施可節約工程總造價10%。2001年，我國將隔震技術寫入抗震規范中，提出減震系數概念，并在實際工程中大力推廣使用，2004年，祁皚等推導了基礎隔震結構在不同工況下高寬比限值。2009年，于旭通過研究表明，在軟土地基上考慮土結構相互作用，會進一步提升隔震效果。2013年，周云以蘆山縣人民醫院門診綜合樓實際隔震效果為依據，提出2010版《抗規》中的隔震指導方法是有效合理的。近些年，我國也在大力推廣隔震建筑，本文結合工程實例，對云南某養老院進行隔震分析。

1 隔震設計流程

（1）初步確定隔震設防目標，通常采取設防烈度降低一度，以隔震層為分界，分為下部結構，上部結構，隔震層三部分。

（2）模型轉換，將YJK模型或者PKPM模型轉換成ETABS模型，并進行模型對比，對比其質量，周期，以及樓層剪力，以檢驗模型的合理可行性。

（3）建立ETABS隔震模型，在重力荷載代表值下，通過有鉛芯以及無鉛芯橡膠隔震支座的合理搭配布置，得到設防地震下的隔震模型。

（4）計算水平減震系數，選取7條地震波，分別對中震非隔震模型以及中震隔震模型進行彈性時程分析和FNA時程分析。計算樓層隔震前后的剪力與傾覆彎矩比值，最后取隔震層以上二者的最大比值為減震系數。

（5）通過水平減震系數，判斷是否滿足設防目標。

（6）隔震支座驗算，驗算隔震支座的拉，壓應力，以及位移指標是否滿足規范要求，并利用得到的支座反力進行支墩配筋。

2 工程概況

本工程為多層框架結構養老院，總共7層，其中，地上六層，地下一層地下室（隔震層）層高4.2米，首層層高5.4米，其余層高均為3.6米，建筑高度：23.70m。

設防烈度八度0.3g，地震分組為第三組，設防類別為重點設防類（乙類），建筑場地類別：III類，特征周期為0.65s，抗震不利地段。其結構有限元模型如圖1所示。

3 支座布置

采取基礎隔震方法，將地下室作為隔震層，考慮到近場放大效應，從經濟性，合理性，可行性3方面考慮，經反復試算，采用鉛芯橡膠支座LRB1000，LRB900和天然橡膠支座LNR900共3種類型支座，其支座布置圖如圖2所示。其中，在布置主要遵循以下原則：

（1）《抗規》規定，在重力荷載代表值下的隔震墊子壓應力值宜均勻，且不應超過乙類建筑的限值12Mpa。

（2）罕遇狀態下，隔震墊子不宜出現受拉狀態，不可避免時，應驗算其拉應力，使其小于限值1.0MPa，從而控制隔震支座不會因受拉而破壞。

（3）在罕遇狀態下，隔震支座的水平位移不宜過大而超過限值，限值取min（0.55D，3Tr），D：最小隔震墊子，Tr：橡膠層總厚度）。

4 隔震分析

4.1 隔震前后結構自振周期對比

對比隔震前后建筑結構周期，通過表1可以發現，隔震支座顯著放大整體結構周期而變成柔性體系，其中，第一周期從1.0311s，延伸到2.6081s，放大2.53倍，有效避開了場地特征周期0.65s，從而抑制上部結構動力響應，隔絕部分地震能量。

4.2 多遇地震下隔震分析

選取2組人工波以及5組實際地震記錄，通過ETABS軟件，對非隔震結構進行線性模態時程分析，并對比基底剪力。其中，規范設計反應譜曲線和7條時程波反應譜及其平均值的對比見圖3。

4.3 設防地震作用下隔震分析

設防地震下，主要計算建筑結構隔震前后剪力之比，對于高層建筑結構還需計算傾覆彎矩之比。選取除隔震層外的最大比值為最終水平向減震系數，考慮到近場放大影響，根據公式可得建筑結構的水平地震作用影響系數為1.5×0.24×0.26/0.85=0.110。綜合考慮，結構水平地震影響系數取0.12，滿足設防烈度降一度的要求。

4.4 罕遇地震下隔震分析

計算結果顯示，罕遇狀態下隔震支座兩個方向（X，Y）最不利水平位移為480mm，小于本工程隔震墊子的水平位移限值495mm，且具有一定的安全儲備空間，確保隔震裝置隔絕耗散大部分地震能量，達到預期隔震目標。

隔震支座在罕遇狀態下，部分邊支座產生受拉，最大拉應力值為0.33MPa<1MPa。最大壓應力為13.39MPa<30MPa，即拉壓應力均達到規范規定，表明大直徑隔震墊子不會出現因受拉過大而導致隔震性能受損的影響。

5 結論

本文闡述了隔震分析基本流程與步驟，為多層框架結構的隔震提供一些經驗性的指導。通過算例可得：（1）采用隔震技術后，隔震支座延長放大結構基本周期，有效避開地震波中高頻部分，削弱隔絕地震作用，從而降低結構響應。構件截面減小，增大建筑使用空間，節約工程總造價。（2）隔震裝置通過變形耗散地震能量，隔離地震傳遞，上部主體結構處于彈性工作狀態，運動以平動為主。

參考文獻

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