結(jié)構(gòu)特性對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震層響應(yīng)的影響★

王一鳴，徐天妮

(成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,四川 成都 610000)

0 引言

隔震的目的是延長結(jié)構(gòu)的周期,適當?shù)脑黾咏Y(jié)構(gòu)的阻尼從而減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng),使結(jié)構(gòu)的變形集中在隔震層,以避免建筑物的破壞或倒塌。地震發(fā)生時,上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間通過隔震層產(chǎn)生相對水平滑移、摩擦,阻隔、吸收耗散大部分地震能量,從而達到減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用及地震反應(yīng)[1-2]。但在近場脈沖型地震作用下,基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隔震層同樣會產(chǎn)生較大的響應(yīng),從而使隔震層的隔震支座發(fā)生破壞,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[3]。孔凡等[4]通過定義頻率比、質(zhì)量比、阻尼比等參數(shù),研究了TMDI隔震結(jié)構(gòu)的隨機動力響應(yīng);黨育等[5]考慮結(jié)構(gòu)動力參數(shù)研究了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的樓面反應(yīng)譜。影響地震反應(yīng)譜的因素十分眾多[6-7],如結(jié)構(gòu)阻尼和振動周期等結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素,因此,本文選取符合要求的近場脈沖型地震,通過分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)改變對隔震層響應(yīng)的影響,為不同基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一定的設(shè)計依據(jù)。

1 選取地震波

從美國太平洋地震中心強震數(shù)據(jù)庫(PEER)中選出具有典型脈沖特性的近場地震118條,所有地震的峰值加速度均大于0.01g。

2 隔震層反應(yīng)譜的建立

由于隔震支座的水平抗側(cè)剛度遠小于上部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,故它的存在會使上部結(jié)構(gòu)在地震作用下像剛體一樣平動,而結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層,因此將基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)簡化為雙自由度體系,并用Matlab對雙自由度體系的運動方程[8](式1)進行求解,即可得到基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震層的加速度譜,見圖1。

(1)

為分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震層與上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性(質(zhì)量、阻尼、剛度)對隔震層響應(yīng)的影響,令:

(2)

其中,ωt,ωb分別為上部結(jié)構(gòu)、隔震層的自振頻率。

式(1)最終可表達為:

(3)

其中,αt,βt,αb,βb分別為上部結(jié)構(gòu)和隔震層的阻尼比。

3 結(jié)構(gòu)特性對隔震層反應(yīng)譜影響分析

在求解運動方程時,頻率比、質(zhì)量比、上部結(jié)構(gòu)阻尼比、隔震層阻尼比會對隔震層響應(yīng)產(chǎn)生影響,因此,分析不同參數(shù)取值的隔震層響應(yīng),才能更好地掌握隔震層譜的變化規(guī)律,為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供更合理的設(shè)計依據(jù)。

3.1 阻尼比的影響

一般情況下,實際隔震結(jié)構(gòu)要求隔震層阻尼比處于0.05～0.40之間,故本文中取隔震支座的阻尼比分別為0.10,0.20,0.30,0.40。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)一般為鋼筋混凝土,抗規(guī)對鋼筋混凝土的阻尼比作了規(guī)定,取值為0.05。在頻率比、質(zhì)量比均為定值的情況下,改變上部結(jié)構(gòu)及隔震層的阻尼比,通過MATLAB數(shù)值計算,得到不同場地類別下的隔震層加速度譜(見圖1)。

從圖1中可以看出,周期小于2 s時,隔震層的加速度響應(yīng)迅速減小,當周期大于2 s后,加速度減小速率逐漸緩慢。等效阻尼比對隔震層加速度響應(yīng)的影響為阻尼比0.10時最大,隨著等效阻尼比的增加,隔震層加速度響應(yīng)在減小。這主要是由于隔震層的等效阻尼比大時,會消耗更多的能量,根據(jù)黏滯阻尼理論也可知,阻尼與結(jié)構(gòu)的響應(yīng)成反比。

3.2 頻率比的影響

一般建筑結(jié)構(gòu)采用隔震措施之后,與相同的非隔震結(jié)構(gòu)相比,隔震結(jié)構(gòu)周期通常是原周期的2倍～3倍[9],那么原頻率即為隔震結(jié)構(gòu)頻率的2倍～3倍。因此,本文取頻率比分別為2.0,2.2,2.4,2.6,2.8,3.0進行彈塑性時程分析。圖2為不同頻率比的隔震層加速度譜。

從圖2可以看出,周期小于2 s時,隔震層加速度譜隨周期的增加迅速減小,周期大于2 s后,隔震層加速度譜的譜值趨于定值。隨著結(jié)構(gòu)自振周期變化,頻率比對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響相對較小。

從圖3可以看出,隨著頻率比的增加,隔震層響應(yīng)的變化趨勢為先增加后減小,而上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨頻率比的增大而減小。綜合來看,當頻率比即基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的自振周期與原抗震結(jié)構(gòu)的自振周期比值在2.2～2.4時,體系的響應(yīng)值達到最優(yōu),隔震結(jié)構(gòu)可以起到較好的作用。

3.3 質(zhì)量比的影響

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比大約在0.05～0.25之間,故本文的質(zhì)量比選取0.05,0.10,0.15,0.20,0.25分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng),如圖4所示。

從圖4中可以看出,質(zhì)量比對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響仍舊不明顯,但從圖4中可以看出,質(zhì)量比并不影響加速度譜的譜形,在自振周期小于2 s時迅速下降,自振周期大于2 s后,結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)變化趨于平緩。

圖5為隔震層與上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)隨質(zhì)量比的變化關(guān)系曲線,隨著隔震層與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比的增加,隔震層與上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)均在減小。但隨著質(zhì)量比的增加,上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)與隔震層響應(yīng)的比值逐漸增大。因此,一旦上部結(jié)構(gòu)確定,在滿足減震效果的情況下隔震層的質(zhì)量越小減震效果越好,進而保證上部結(jié)構(gòu)不超過其極限狀態(tài)發(fā)生破壞。

4 結(jié)論

本文分析了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性對隔震層響應(yīng)的影響,得到如下結(jié)論:

1)隔震層的阻尼比越大,吸收的地震能量越多,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)越小;頻率比的變化存在最優(yōu)區(qū)間,即基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與原抗震結(jié)構(gòu)的周期比大約為2.2～2.4,此時隔震層位移和上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)均較小;質(zhì)量比越大,隔震層和上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)越小,但二者的比值卻越大。

2)在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時,應(yīng)充分考慮隔震層阻尼比、抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)頻率比、隔震層與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比這三個結(jié)構(gòu)特性參數(shù),使隔震結(jié)構(gòu)的減震效果達到最優(yōu)。