组合隔震结构双向随机地震反应研究范文

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摘要：利用有限元软件建立某5层框架结构商城模型，输入水平双向的实际地震波和人工波，通过时程分析，对比了传统抗震结构、全铅芯橡胶隔震结构和组合隔震结构的地震反应。结果表明：由铅芯橡胶支座和摩擦滑板支座组成的组合隔震结构在增加自振周期、减小基底反力幅值、减小结构层地震动加速度等方面均较全铅芯橡胶隔震结构更好，具有良好的隔震性能；考虑造价等因素，组合隔震结构比全铅芯橡胶隔震结构有更广阔的应用空间。

关键词：结构；组合隔震；双向地震；自振周期；地震动加速度

地震是地球内部能量短时间的释放，随机性较强，它不仅对人们的生命财产造成巨大威胁，而且造成的次生灾害也是难以估量的[1]。近年来，我国也发生了多次较大地震，给人们带来了沉重的灾难。因此，在我国对减震防震的研究具有重要的意义。在各类抗震技术中，隔震技术因其构造简单、易于维护、减震效果明显等优点而引起广泛的关注，尤其是基础隔震技术研究成为当前研究和应用的热点[2-3]。由于不同的隔震装置单独使用时各有利弊，而将不同的隔震装置配合使用可以取长补短得到更好的效果，所以组合隔震结构已经成为现代隔震技术发展的一个重要思路[4]。国内的专家学者对组合隔震结构的隔震效果也进行了相关的研究，取得了一系列的理论成果[5-6]，但各种隔震支座在实际工程中推广的最大障碍就是造价问题[7]。其中铅芯橡胶支座具有较强的恢复力，但是造价相对较高；摩擦滑板支座具有造价低、减震效果好的特点，但是地震时的复位能力较差。因此，笔者以某实际工程为例，建立数值分析模型，对比分析组合隔震结构在8度罕遇地震时的隔震效果。

1模型及分析概况

1.1模型概况

某5层框架结构商城，建筑物东西长30m，南北宽18m，在SAP2000软件中建立结构分析模型。该地区抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第2组；柱截面尺寸为500mm×500mm、主梁截面尺寸为300mm×600mm、次梁截面尺寸为250mm×500mm、板厚为120mm，梁、板、柱均采用C40混凝土浇筑，重度为25kN/m3，各层层高均为3.9m。各层楼地面恒载取2kN/m2；填充墙采用加气混凝土砌块，仅考虑框架四周外围部分，将填充墙和窗户简化为分布在框架梁上的线荷载，取7.78kN/m；屋面女儿墙采用普通黏土砖，高度1m，简化为线荷载，取4.32kN/m；各层楼面的活荷载参照GB50009—2001（2006年版）《建筑结构荷载规范》，取3.5kN/m2。

1.2隔震支座的布置

为了对比组合隔震结构的隔震效果，特建立传统抗震结构模型、全铅芯橡胶隔震结构模型、组合隔震结构模型。其中组合隔震结构采用铅芯橡胶支座和摩擦滑板支座并联组合的方式，两者比例为1∶1，组合隔震支座采取分散布置。1）铅芯橡胶支座型号为LRB600，屈服前的刚度为13110kN/m。根据抗震设计规范，罕遇地震下，取250%水平剪切变形时对应的等效水平刚度为1580kN/m、屈服后刚度为798kN/m、等效阻尼比为18.4%、屈服力为63kN。2）摩擦滑板支座型号为GYZF4，聚四氟乙稀板的厚度为10mm，与抗震结构对比时，滑移隔震支座的静摩擦系数和动摩擦系数均取0.1，起滑前支座有效刚度取1.35×109N/m。

1.3地震波的选取及调整用时程分析法

对结构进行地震反应分析时，需要直接输入地震动加速度时程曲线。根据文献[8]：“采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3”的要求，笔者拟采用EL-Centro波（NS）、EL-Centro波（EW）、唐山波（NS）、唐山波（EW）、人工波（人工波由自行编制的软件随机生成，见图1）。在对结构进行罕遇地震分析时，地震峰值加速度为400cm/s2，结构同时施加X和Y双向地震作用，在所有的分析工况中都尚未考虑竖向地震动的作用。根据文献[8]的规定，输入双向地震波时加速度峰值按照X方向∶Y方向=1∶0.85进行调整。调整后X、Y方向输入地震波的峰值分别为400，340cm/s2。地震波中加速度幅值大小反映地震波的强弱，要求所选地震记录的加速度峰值与设防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的加速度峰值相当，否则应对加速度曲线进行调幅，工程中应用较多的是比例调整法[9]。

2结果分析

2.1结构自振周期

通过分析对比，可以得到传统抗震结构、全铅芯橡胶隔震结构、组合隔震结构在前12个振型的自振周期情况，以及与传统抗震结构的对比情况，其结果见表1。由表1可知：组合隔震结构与传统抗震结构相比，前6个振型可以有效地增大结构的自振周期，尤其是前3个振型，增幅较为明显；与全铅芯橡胶隔震结构相比，6个振型的自振周期都有不同程度的增加。结构自振周期延长后，能够避免出现共振现象，结构的地震影响系数也随之变小，结构由“刚”变“柔”；上部结构的地震动加速度和各构件所受的剪力和弯矩会有不同程度的降低，建筑的抗震能力有一定的增加。通过对比可知，组合隔震结构比全铅芯橡胶隔震结构的抗震效果更佳。

2.2基底反力

通过分析可以得到传统抗震结构、全铅芯橡胶隔震结构、组合隔震结构的基底反力分别在EL-Centro波、唐山波、人工波作用时，X、Y方向的时程曲线。由于基底反力在X、Y方向都具有相同的变化规律，所以仅给出3种波作用下X方向基底反力的时程曲线，见图2。由图2可知，无论是X方向还是Y方向，在3种不同的地震波作用下，传统抗震结构的基底反力振幅均最大；全铅芯橡胶隔震结构基底反力振幅有明显的下降；组合隔震结构基底反力振幅又进一步地降低，但是降幅较前者较小。该现象说明组合隔震结构的隔震能力较好，能有效降低基底反力变化幅值，减轻对上部结构的影响。

2.3结构

层地震动加速度通过分析可以得到传统抗震结构、全铅芯橡胶隔震结构、组合隔震结构的各楼层地震动加速度分别在EL-Centro波、唐山波、人工波作用时，X、Y方向的加速度曲线，见图3、4，其中“0”表示隔震层。由图3、4可知，传统抗震结构各楼层的地震动加速度随着楼层的增加而增加，呈现出“摆动”的状态；而全铅芯橡胶隔震结构和组合隔震结构各楼层的地震动加速度随楼层的增加略有增加，基本呈现出“平动”的状态；组合隔震结构各楼层的地震动加速度在几种地震波作用时，大部分均小于全铅芯橡胶隔震结构对应楼层的地震动加速度，说明组合隔震结构的隔震性能优于全铅芯橡胶隔震结构。组合隔震结构的隔震层地震动加速度除了EL-Centro波在X、Y方向略大于铅芯橡胶隔震结构外，在唐山波和人工波的作用下组合隔震结构的隔震层地震动加速度均小于铅芯橡胶隔震结构，证明对隔震层造成的破坏较小。

3结论

笔者根据实际工程利用SAP2000软件分别建立某抗震设防烈度为8度的传统抗震结构、全铅芯橡胶隔震结构、组合隔震结构3种空间模型，通过对结构在地震作用下的自振周期、地震动加速度、基底反力等的对比分析，得到以下结论：1）无论是全铅芯橡胶隔震结构还是组合隔震结构，与传统抗震结构相比，都具有延长结构自振周期的能力，但是组合隔震结构比全铅芯橡胶隔震结构自振周期延长更多，隔震效果更佳。2）全铅芯橡胶隔震结构能大幅地降低传统抗震结构在双向水平地震作用下基底反力的振幅；组合隔震结构较全铅芯橡胶隔震结构能更进一步地降低基底反力的幅值，对建筑基础的设计和施工具有重要意义。3）传统抗震结构各楼层的地震动加速度随着楼层的增加而增加，呈现出“摆动”的状态；而全铅芯橡胶隔震结构和组合隔震结构各楼层的地震动加速度随楼层的增加而略有增加，基本呈现出“平动”的状态。组合隔震结构各楼层的地震动加速度均小于全铅芯橡胶隔震结构对应楼层的加速度，说明组合隔震结构的隔震性能优于全铅芯橡胶隔震结构。

参考文献：

[1]尚守平.结构抗震设计[M].北京：高等教育出版社，2003：1-2.

[2]党育，杜永峰，李慧.基础隔震结构设计及施工指南[M].北京：中国水利水电出版社，2007：2-12.

[3]王建强，李静，丁永刚.水平双向地震作用对摩擦摆基础隔震结构隔震支座位移的影响[J].四川建筑科学研究，2011，37（2）：165-167.

[4]刘可.基础隔震的试验研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[5]朱玉华，吕西林.组合基础隔震系统地震反应分析[J].土木工程学报，2004，37（4）：76-81.

[6]杨树标.复合隔震结构地震反应的简化计算[J].世界地震工程，2001，17（2）：65-69

[7]邵静，姚菲，徐玉华.隔震支座技术的研究综述[J].四川建筑科学研究，2014，40（3）：176-179.

[8]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[9]王道文.并联组合基础隔震反应分析[D].重庆：重庆大学，2011.收稿日期：2017-05-05基金项目：黄河水院科学技术

作者：杨利国 柴红 曹磊 单位：黄河水利职业技术学院