豎向剛度突變結構層間隔震地震響應分析

崔利富，孫建剛，王 振

(大連民族學院 土木建筑工程學院，遼寧 大連116605)

豎向剛度突變結構振型復雜［1－2］，并會產(chǎn)生復雜的扭轉振動，如結構布置不當，豎向剛度突變、扭轉振動反應及高振型影響將會加劇，其振動特性、受力性能、破壞形式、分析模型及計算方法要比一般高層建筑復雜得多。層間隔震技術的發(fā)展，為豎向剛度突變建筑結構的抗震設計與研究開辟了一個新途徑［3－4］。本文選取一幢底盤為2 層，上部為5 層的塔樓建筑，基于ETABS 有限元分析程序［5］，在剛度突變處加入隔震層進行模擬，給出層間隔震的地震響應，驗證層間隔震降低地震響應的可行性。

1 有限元模型的建立

本算例使用簡化的框架模型，為體現(xiàn)結構剛度沿豎向分布突變，選擇大底盤塔樓結構布置，同時為了減少干擾因素，結構只在Y 方向的立面有縮進，剛度發(fā)生突變，X 方向上沒有突變。結構形式為框架結構，底盤為2 層，層高3.30 m，上部為一幢5 層的塔樓，層高也為3.30 m。柱網(wǎng)尺寸為3 500 mm×6 000 mm，底盤Y 方向上7 根柱子，間距3 500 mm，X 方向上3 根柱子，間距6 000 mm。上部塔樓Y 方向上3 根柱子，間距3 500 mm，X 方向上3 根柱子，間距6 000 mm。柱子使用C30 的混凝土，截面尺寸為500 mm ×500 mm，梁采用C30 混凝土，截面尺寸為350 mm ×600 mm，板采用C30 混凝土，板厚100 mm。場地類型為Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組，7 度抗震設防。在剛度突變處設置隔震層，結構簡圖如圖1。

圖1 層間隔震結構簡圖

本算例采用鉛芯橡膠支座系統(tǒng)(如圖2)，其滯回曲線如圖3，圖中Ku，Kd為在軸壓應力設計值下的屈服前剛度和屈服后剛度。將其簡化為彈簧阻尼系統(tǒng)，其簡化的隔震系統(tǒng)如圖4。初步設定隔震系統(tǒng)的周期為2 s，隔震層阻尼比取為0.1?；贓TABS 有限元分析程序，在模型的上部塔樓和下部大底盤結構的連接處設置橡膠墊，采用beam 單元模擬梁柱。所建立的有限元模型如圖5。

圖2 鉛芯疊層橡膠支座形狀與構造

圖3 鉛芯疊層橡膠墊滯回曲線

圖4 鉛芯疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)簡圖

圖5 豎向剛度突變結構層間隔震計算模型

2 動力特性及地震響應對比分析

2.1 固有特性比較

層間隔震結構與非隔震結構周期見表1，一階振型如圖6。

表1 隔震結構與非隔震結構的基本周期

圖6 一階振型圖比較

表1 表明，層間隔震結構的周期明顯延長，能夠避開場地的特征周期，避免“類共振”的發(fā)生，起到減震的目的。由圖6 一階振型的比較可看出，隔震結構的變形明顯小于非隔震結構的變形，近似于整體平動，避免了激烈放大效應的發(fā)生。

2.2 地震響應對比分析

選取Elcentro 波作為地震動輸入，采用非線性時程分析法，其加速度峰值反應及減震率見表2，其沿結構高度的變化如圖7。

表2 隔震結構與非隔震結構加速度

圖7 隔震與非隔震結構時程分析所得加速度

從表2 和圖7 中可以看出，非隔震結構隨著樓層的增加，加速度迅速增加，層間隔震結構從1層到2 層加速度增加，2 層到3 層的加速度急劇減少，3 層以后的加速度近似平動。層間隔震結構各層的加速度比非隔震結構有明顯下降，說明層間隔震對豎向突變結構的地震響應有一定的減震作用。

隔震結構與非隔震結構的層間位移角見表3，其沿高度的變化如圖8。

表3 時程分析所得隔震結構與非隔震結構層間位移角

圖8 隔震與非隔震結構的X 方向層間位移角

表3 和圖8 表明，隔震結構的樓層位移角及層間位移明顯降低，例如7 層的層間位移角及層間位移減小了88 %，3 層的層間位移角及層間位移減小了86.1 %，1 層的層間位移角及層間位移減小了90.8 %。這也證明隔震裝置起到了明顯的隔震作用。非隔震結構第2 層由于剛度有突變，所以位移角及層間位移也有突變，而隔震結構則近似整體平動。

3 結 論

本文選取一豎向剛度突變結構，基于ETABS建筑結構分析程序，引入層間隔震技術，建立了有限元模型，對其進行固有特性和地震響應分析。主要結論如下:

(1)層間隔震裝置能增大豎向剛度突變結構自振周期，從而使建筑物避開場地的卓越周期;隔震結構的變形明顯小于非隔震結構的變形，層間隔震裝置使隔震層上部變形主要以整體平動為主，結構位移主要發(fā)生在結構的隔震層，上部結構的層間位移減小，避免激烈放大效應的發(fā)生。

(2)非隔震結構加速度反應隨著層數(shù)的增加而急劇增加，而層間隔震結構從1 層到2 層加速度增加，2 層到3 層的加速度急劇減少，3 層以后的加速度幾乎沒有增加。表明層間隔震裝置能減小豎向剛度突變結構地震加速度。

(3)層間隔震結構的層間位移角遠遠小于非層間隔震結構，也遠遠小于規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值。相同樓層，層間隔震結構層間位移角最大僅為非層間隔震結構的20.0 %。

［1］祁皚.層間隔震技術評述［J］.地震工程與工程振動，2004，24(6):239 －243.

［2］李黎，李健，唐家祥，等. 用隔震技術提高已有建筑的抗震能力［J］華中科技大學學報，2002，19(1):68 －72.

［3］王鑫，閆振國. 層間隔震結構減震機理的數(shù)值模擬分析［J］.蘭州理工大學學報，2012，38(4):109 －114.

［4］張穎，譚平，李祥秀. 帶智能磁流變阻尼器的層間隔震混合控制研究［J］.華南地震，2013，3(1):26 －32.

［5］崔利富，孫建剛，郭巍，等. 基于ETABS 結構分析軟件的框架結構基礎隔震分析［J］.大連民族學院學報，2008，10(1):70 －74.