層間隔震框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)動(dòng)力分析

王姿琦

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，阜新 123000）

和普通的抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案不同，層間隔震框架結(jié)構(gòu)并不是統(tǒng)一的在建筑的某一個(gè)部位設(shè)置隔震層，它是根據(jù)不同建筑的自身結(jié)構(gòu)的不同的特點(diǎn)在建筑物不同的位置設(shè)置隔震層。一般情況下隔震層設(shè)置在建筑物的樓板以及竹子之間。根據(jù)建筑物自身的特點(diǎn)的不同，層間隔震框架結(jié)構(gòu)一般分為下面這幾種形式：

1）當(dāng)建筑物是上小下大的時(shí)候一般將隔震層設(shè)置在建筑物的大小發(fā)生變化的部位。

2）當(dāng)建筑物的上部和下部的結(jié)構(gòu)形式有所不同的時(shí)候一般在結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化的部位設(shè)置隔震層。

3）當(dāng)整個(gè)建筑物的上部和下部的大小或者是結(jié)構(gòu)形式都沒有發(fā)生變化的時(shí)候隔震層一般可以放在整個(gè)建筑物一層頂部，建筑物中間層的頂部或者是建筑物頂層。

通過分析這種結(jié)構(gòu)將建筑物分為了3個(gè)部分，隔震層上部。隔震層以及隔震層下部。當(dāng)建筑物的頻率和地震頻率接近的時(shí)候就會(huì)發(fā)生共振，這時(shí)候建筑物的震動(dòng)幅度就會(huì)增大，建筑物也就容易損壞。當(dāng)隔離層位置在建筑物的比較低的位置的時(shí)候，可以通過控制隔離層的建筑物材料來減少隔離層的頻率從而減少整個(gè)建筑物的頻率，使其和地震的頻率相差較遠(yuǎn)，防止共振的發(fā)生。當(dāng)隔離層位置較高的時(shí)候可以是隔離層的頻率與整個(gè)建筑的頻率比較接近，這是為了把震動(dòng)幅度控制在安全的范圍里面，可以采用調(diào)諧吸震的方式。

在設(shè)置隔離層的時(shí)候要同時(shí)注意減少上部和下部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，式建筑物更加的安全可靠。

1 層間隔震框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

1.1 層間隔震框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

層間隔震框架結(jié)構(gòu)不僅僅在地震時(shí)對建筑物有著有效的保護(hù)作用，同時(shí)在其他方面相對于普通的隔震結(jié)構(gòu)來說也有著不少的有點(diǎn)，這使得層間隔震框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展更加迅速應(yīng)用更加廣泛。

1）使用范圍廣泛。當(dāng)使用基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)候會(huì)有一定的限制，在這種情況下就只能使用層間隔震框架結(jié)構(gòu)。同時(shí)它的使用更加靈活多變，當(dāng)需要在舊的樓層上面加蓋新的樓層時(shí)可以首先在上面加一個(gè)隔震層，這種做法不但簡單方便沒有改變原來樓層的結(jié)構(gòu)，同時(shí)是建筑的隔震效果有了比較明顯的加強(qiáng)。

2）當(dāng)使用基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)候必須要給建筑物預(yù)留一定的控件來填充一定的材料來緩沖發(fā)生地震時(shí)的力的作用，同時(shí)為了防止地震時(shí)發(fā)生較大的位移也要預(yù)留一定的空間。這種做法不但非常的麻煩而且花費(fèi)也比較大。但是層間隔震框架結(jié)構(gòu)的隔離層一般設(shè)置在層面與柱子之間，即使地震時(shí)發(fā)生了位移也是發(fā)生在垂直方向上，不會(huì)對樓體的水平結(jié)構(gòu)有較大的影響。一次使用層間隔震框架結(jié)構(gòu)就不必設(shè)置相應(yīng)的預(yù)留空間。

一般的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)需要在頂部增設(shè)一層承載力大于一般樓板的梁板。而層間隔震框架結(jié)構(gòu)則不需要這層樓板，減少了一定的費(fèi)用。

1.2 層間隔震框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1）近海建筑如果使用普通的各鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)的話其隔震層的橡膠隔震支座很容易因?yàn)楹Ｋ母g而遭到破壞。當(dāng)使用層間隔震框架結(jié)構(gòu)的時(shí)候因?yàn)楦粽饘游挥跇琼斴^高的位置，一次可以防止這種情況的發(fā)生。

2）當(dāng)給舊的建筑物加層的時(shí)候可以在就的建筑物頂部增加隔震層。這種做法不但符合層間隔震框架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了建筑物的減震效果，同時(shí)簡單方便，很容易實(shí)施。

3）當(dāng)對一些年代久遠(yuǎn)的文物性建筑物進(jìn)行加固的時(shí)候，使用普通的隔震結(jié)構(gòu)需要在建筑物內(nèi)部進(jìn)行修改，這種做法很容易改變文物的本身特點(diǎn)，因此可以使用層間隔震框架結(jié)構(gòu)在建筑物的下部設(shè)置隔震層，這樣不但大大減少了對建筑物的修改，也確實(shí)做到了對建筑物的加固。

4）對于一些上下不一樣大或者是上下結(jié)構(gòu)不同的建筑物使用普通的隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)候建筑物發(fā)生變化的樓層在地震的作用下很容易遭到破壞，這時(shí)候就可以使用層間隔震框架結(jié)構(gòu)在發(fā)生變化的樓層部位設(shè)置隔震層。有效地加固了建筑，較少震時(shí)發(fā)生的損壞。

2 層間隔震框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)動(dòng)力分析

通過ANSYS建立模型建立起普通的抗震結(jié)構(gòu)以及層間隔離結(jié)構(gòu)然后進(jìn)行動(dòng)力特性以及地震相應(yīng)的分析，通過比較了解層間隔震框架結(jié)構(gòu)相對于普通隔震體系的優(yōu)異性。

2.1 動(dòng)力方程的建立

在地震激勵(lì)下，因?yàn)橄鹉z隔震支座的水平剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其豎向剛度，所以在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，可以近似認(rèn)為隔震結(jié)構(gòu)只作水平動(dòng)力，而忽略其豎向變形引起的擺動(dòng)。在地震中，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)宜按多質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行分析。實(shí)際工程中的多層隔震結(jié)構(gòu)大多屬于這種體系，多質(zhì)點(diǎn)簡化模型如圖1所示。

圖1 多質(zhì)點(diǎn)簡化模型

以層問隔震結(jié)構(gòu)的隔震層作為分界面 ，劃分為2個(gè)子結(jié)構(gòu) （如圖2所示）。設(shè)｛x1｝，｛x2｝分別為上下子結(jié)構(gòu)各層位移，xs和xb分別為下子結(jié)構(gòu)頂層位移和上子結(jié)構(gòu)底部位移，對于結(jié)構(gòu)1，位移矢量為X1＝［x1xs］T。

圖2 層間隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

剛度矩陣和質(zhì)量矩陣分別為：

得出2個(gè)結(jié)構(gòu)的位移矢量、整體剛度矩陣、質(zhì)量矩陣后，可寫出各結(jié)構(gòu)的無阻尼自由振動(dòng)方程：

求出ω1和ω2后得出：

2.2 建立模型

首先根據(jù)實(shí)際的框架剪力墻的特點(diǎn)并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕加褪褂肁NSYS建立普通抗震結(jié)構(gòu)以及層間抗震結(jié)構(gòu)兩種模型。使用Beam4單元模擬建筑的梁柱等結(jié)構(gòu)，使用shell63模擬露面等結(jié)構(gòu)。使用鉛芯層疊橡膠支座材料在相應(yīng)的位置實(shí)現(xiàn)隔震層。使用C40混凝土實(shí)現(xiàn)框架剪力墻，彈性模量為3.25×1010Pa，密度為2600k1g／m3，泊松比為0.20；鉛芯層疊橡膠支座的剪切彈性模量為0.55×106Pa，水平動(dòng)剛度為1kN／mm，等效粘滯阻尼比為0.23，戧面厚度為120mm，剪力墻厚為300mm。根據(jù)如上建立的模型創(chuàng)建的三維有限元模型如下圖所示：

圖3 三維有限元模型

2.3 數(shù)據(jù)表

利用ANSYS有限元軟件并且使用Block Lanczos算法進(jìn)行求解可以得到這兩種模型的前15階頻率，見下表1：

表1 兩種模型前15階頻率

其變化趨勢如圖4所示：

2.4 模態(tài)分析

通過ANSYS計(jì)算兩種模型的一定階數(shù)的頻率可以發(fā)現(xiàn)層間結(jié)構(gòu)相對于普通抗震結(jié)構(gòu)其兩者的周期有著比較大的變化。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)層間隔震框架結(jié)構(gòu)的頻率有了比較明顯的減少，也就明顯的減少了建筑物有基本頻率，是建筑物總體的頻率與建筑場地的自身頻率有了比較明顯的區(qū)別。最后也就是建筑物的頻率與地震的頻率有了比較大的差別，有效地防止了共振的發(fā)生。

圖4 變化趨勢

2.5 地震響應(yīng)分析

對普通的抗震結(jié)構(gòu)以及層間隔震框架結(jié)構(gòu)同時(shí)輸入地震波進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生地震時(shí)層間隔震框架結(jié)構(gòu)的樓層間的位移量相對來說比較小，變形主要集中在了隔震層。隔震層有效的阻止了地震對樓層上部的影響。并且隔震層在地震的作用下可以是隔震層上部的樓層形成一個(gè)整體，相互之間幾乎不發(fā)生位移。有效地減少了地震作用下各樓層之間的拉扯力。

3 結(jié)論

1）通過模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)層間隔震框架結(jié)構(gòu)相對于普通的隔震結(jié)構(gòu)來說其頻率有了比較明顯的減少。從而減少了整個(gè)建筑物本身的頻率，最終使整個(gè)建筑物本身的頻率處于地震發(fā)生時(shí)的頻率范圍之外，防止了建筑物發(fā)生共振的情況的發(fā)生，有效地減少了地震對建筑物的損壞。

2）在發(fā)生地震時(shí)，層間隔震框架結(jié)構(gòu)可以有效的減少各樓層之間的位移量，同時(shí)使地震發(fā)生時(shí)各個(gè)樓層之間相對運(yùn)動(dòng)的加速度有了比較明顯的減小，也就是減少了各樓層在地震發(fā)生時(shí)相互之間的拉力。

3）綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)層間隔震框架結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的減震效果，這種結(jié)構(gòu)能保證在地震的時(shí)候使隔震層吸收大部分的地震的能量同時(shí)通過隔震裝置將這些能量小號出去，最終使地震時(shí)的變形主要集中在隔震層上，有效地建筑物進(jìn)行了保護(hù)。

防震一直以來都是建筑物設(shè)計(jì)的重要的指標(biāo)之一。目前，層間隔震框架結(jié)構(gòu)的研究還不成熟。相對于日本中國的研究還只是起步階段。安全性毋庸置疑是引導(dǎo)建筑物設(shè)計(jì)發(fā)展的方向的要素之一，層間隔震框架結(jié)構(gòu)在將來也必定是建筑物發(fā)展的方向之一。

［1］干洪，張德玉.框架隔震結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用［J］.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（3）.

［2］唐懷忠，盛宏玉.層間隔震結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（4）.

［3］李向真，歐海龍，林舒.層間隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的簡化分［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2002（1）.

［4］中華人民共和國建設(shè)部.GB50011—2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］白舉科，陳龍珠，趙榮欣.中間層減震結(jié)構(gòu)地震影響實(shí)例分析［J］.工程抗震與加固改造，2007，29（3）：54－58.

［6］樊長林，張善元，張文芳.隔震體系基于雙質(zhì)點(diǎn)模型的參數(shù)分析比較［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39（3）：320－323.

［7］徐慶陽，李愛群，張志強(qiáng)，等.某大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋隔震整體分析［J］.工程抗震與加固改造，2007，29（6）：21－24.

［8］郭小寧.高層框架 剪力墻結(jié)構(gòu)層間隔震的動(dòng)力時(shí)程分析［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［9］Xiao J，Mu Zaigen，Bu L G.et al.Study on the Performance of Compound Foundation Isolation System in Large Complex Structures［C］／／.Proceeding of Shanghai International Conference on Technology of Architecture and Structure（ICTAS2009）（Ⅰ）.2009.

［10］Shi W X，Liu K Y，Liu Y H，et al.Simulation Analysis of Control Algorithm for Smart Isolated Structure Based on Simulink S－Function［C］／／Proceedings of 2009IEEE the 16th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management（Vol.2）.2009.

［11］祁皚等.層間隔震技術(shù)評述.地震工程與工程振動(dòng)［J］，2004，24（6）：114－120.

［12］日本建筑學(xué)會(huì)著，劉文光譯.隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：地震出版社，2006.

［13］付偉慶.智能隔震與高層隔震的理論與試驗(yàn)［M］.哈爾濱：黑龍江大學(xué)出版.

［14］Sung W P，Shih M H.Development of Seismic Isolation Techniques For Elevated Roof of Hi－Tech Factory Building［C］／／.Proceedings of the Third International Conference on Dynamics，Vibration and Control［C］.2010.

［15］Xiong Z G，Qin G M，Zhang Z H，et al.The Seismic Response analysis of Damaged sSlip Component of Sliding Isolated Structure［A］.2011.

［16］Qiang R，University，China.Inelastic Energy Design Response Spectrum of Parallel Base－Isolated System［C］／／.Proceedings of the 3rd International Conference on the Concrete Future.2008.