基于ANSYS基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

陳曉強(qiáng)，范超，曹少飛

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽621010)

目前，基礎(chǔ)隔震技術(shù)己日趨成熟，近年來己有許多應(yīng)用實(shí)例。該方法的原理是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，隔離地面能量向上部傳遞，降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到預(yù)期的防震要求，由于目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件沒有考慮隔震支座的情況，故需要借助于其它大型結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行分析。ANSYS是目前較為常用的一種大型通用的有限元分析軟件，功能強(qiáng)大，在建筑工程中，由于它的線單元類型多，使用方便，很受建筑結(jié)構(gòu)分析工程師的歡迎。本文運(yùn)用ANSYS軟件建立三維空間模型，對多層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震體系的地震響應(yīng)分析，得出了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的對比結(jié)果，闡述了基礎(chǔ)隔震的優(yōu)越性。

1 計算模型的建立

1.1 計算實(shí)例

某九層框架結(jié)構(gòu)，底層層高為3.9 m，其余各層為3.3 m，結(jié)構(gòu)柱、梁布置見圖1?？拐鹪O(shè)防類別為乙類，場地類別為Ⅲ類，設(shè)防烈度為8度，地震基本加速度為0.2g。構(gòu)件尺寸:柱500 mm×500 mm，橫梁為300 mm×600 mm，縱向梁為250 mm×500 mm，樓板厚為100 mm。采用C30混凝土。標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1所示。本例題作為一個演示性的例題，目的在于用ANSYS對基礎(chǔ)固定與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的對比。因此，例題的結(jié)構(gòu)布置等方面并未嚴(yán)格按照有關(guān)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

1.2 計算單元模型的確定

1.2.1 梁、柱單元

本模型梁、柱選用BEAM188單元，該單元能夠采用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET、SECWRITE和SECREAD來定義任何截面(形狀)。

1.2.2 板單元

樓板采用SHELL63單元，該單元具有彎曲能力、膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。

1.2.3 隔震單元

水平隔震單元選用COMBIN40單元，該單元通過兩個節(jié)點(diǎn)、兩個彈簧常數(shù)K1和K2(力/長度)、一個阻尼系數(shù)C(力×?xí)r間/長度)、一個質(zhì)量M(力×?xí)r間平方/長度)、一個間隙大小GAP(長度)和一個界限滑移力FSLIDE(力)定義。豎向隔震單元選用COMBIN14，只需定義其彈簧剛度。

2 隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析

本文選用常用的天津波南北向中典型的一段，持續(xù)時間為6 s，該波適合于Ⅱ、Ⅲ類場地的地震記錄，特征周期為0.3～0.4 s，加速度峰值達(dá)到1.4580 m/s2。表1為兩種基礎(chǔ)形式前6階振型頻率對比。從表1明顯可以看出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)自振頻率遠(yuǎn)低于基礎(chǔ)固定體系。圖2是在地震作用下，基礎(chǔ)隔震體系頂層樓蓋和底層樓面的位移時程曲線。隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下，結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)基本上為整體水平平動。在地震作用下，基礎(chǔ)固定與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)頂層達(dá)到最大位移時，各層的位移見圖3。從圖3中可以看出，當(dāng)頂層達(dá)到最大位移時，基礎(chǔ)隔震體系底層位移較大，但頂層相對底層的位移卻非常小。圖4為兩種基礎(chǔ)形式的加速度時程曲線對比。在多遇地震作用下的層間剪力見圖5，從圖中可以明顯看出基礎(chǔ)隔震的層間剪力遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)固定層間剪力。各圖虛線為基礎(chǔ)隔震，實(shí)線為基礎(chǔ)固支。

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圖2 位移時程曲線(虛線為底層位移)

圖3 頂層達(dá)到最大位移時各層位移

圖4 加速度時程曲線

3 結(jié)論

(1)用ANSYS可以很好地進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的非線性分析，考慮鋼筋混凝土和隔震層的非線性性質(zhì)，建立更符合實(shí)際的三維模型。

(2)本文對某9層框架隔震和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性時程分析，對比分析結(jié)果表明:隔震結(jié)構(gòu)的主震型表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的整體水平平動，變形集中在隔震層。鉛芯橡膠隔震墊能很好地消耗地震能量，減少地震對建筑物的破壞。

圖5 層間剪力圖

(3)通過計算表明，采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)，可以提高結(jié)構(gòu)的自振周期，避開建筑場地的卓越周期，減少發(fā)生共振的可能性。

(4)通過隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力的比較，可以得到降低設(shè)防烈度的具體數(shù)值，減少上部結(jié)構(gòu)的截面尺寸和配筋。

［1］GB50011－2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］

［2］周福霖．工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］．北京:地震出版社，1997

［3］張孟平．框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震分析及應(yīng)用［D］．黑龍江:哈爾濱工程大學(xué)，2007

［4］田其豐．框架結(jié)構(gòu)橡膠墊基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)研究［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006