基礎(chǔ)隔震鋼結(jié)構(gòu)抗震性能分析

李其廉 李增壯 李金峰 齊 越

(河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018)

基礎(chǔ)隔震鋼結(jié)構(gòu)抗震性能分析

李其廉 李增壯 李金峰 齊 越

(河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018)

介紹了高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn)，以某高層鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震建筑為例，運(yùn)用SAP2000V15軟件建立分析模型，并施加一條強(qiáng)震地震波對(duì)模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，通過(guò)對(duì)水平地震計(jì)算結(jié)果的研究得出基礎(chǔ)隔震鋼結(jié)構(gòu)減震效果顯著，可應(yīng)用于高層鋼結(jié)構(gòu)上。

鋼結(jié)構(gòu)，隔震，模型，地震波

0 引言

自20世紀(jì)以來(lái)，高層鋼結(jié)構(gòu)隔震建筑開(kāi)始出現(xiàn)在我國(guó)建筑群中。同普通抗震結(jié)構(gòu)相比，高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)周期得到了延長(zhǎng)，甚至?xí)^(guò)規(guī)范反應(yīng)譜范圍；

2)鋼結(jié)構(gòu)隔震建筑可以用于平面不規(guī)整，以及立面變化較大的建筑；

3)提高了經(jīng)濟(jì)性，雖然鋼材增加了隔震支座費(fèi)用，但是結(jié)構(gòu)用鋼量減少，減少人力物力，整體造價(jià)降低。

不過(guò)高層鋼結(jié)構(gòu)隔震體系與常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)體系相比較，又有其特殊性。地震反應(yīng)分析的模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和隔震支座產(chǎn)品選型都有很多需要研究的地方。

1)對(duì)于高層、超高層鋼隔震結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)不滿足剛體的假設(shè)，高振型反應(yīng)分量對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響不能忽略，不能夠以結(jié)構(gòu)第一振型為主來(lái)確定上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)；2)高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)，整體剛度較混凝土結(jié)構(gòu)小很多，高建筑群已不能看成一個(gè)剛體進(jìn)行研究，當(dāng)自振發(fā)生，上部結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)層間位移。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)層間位移達(dá)到一定程度，隔震層就會(huì)產(chǎn)生傾角，出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)傾覆問(wèn)題，隔震層勢(shì)必出現(xiàn)拉應(yīng)力。無(wú)論橡膠隔震支座還是鉛芯隔震支座抗拉性能很小，這時(shí)用隔震問(wèn)題安全性得不到保障，這是我們必須嚴(yán)格控制的問(wèn)題；3)高層，超高層鋼結(jié)構(gòu)的自振周期都比較長(zhǎng)，因此如何能夠更有效地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期來(lái)達(dá)到更佳的隔震效果，這也是一個(gè)應(yīng)該考慮的問(wèn)題[1]。

本論文采用SAP2000V15[2]建立分析模型，我們施加一條工程上最常用、最典型的強(qiáng)震地震波EL-Centro波對(duì)模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

1 分析模型

某12層鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震建筑，該地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，場(chǎng)地土類別為Ⅱ。建筑長(zhǎng)30 m，寬12 m，總高度54 m，層高為4.5 m，高寬比[3]為1.8。該結(jié)構(gòu)在每個(gè)角柱和邊柱下均設(shè)置了鉛芯橡膠隔震支座[4]，在每個(gè)中柱下設(shè)置天然橡膠隔震支座。

2 參數(shù)的選取

隔震支座在SAP2000V15中以非線性連接單元的形式模擬，故本文將隔震支座統(tǒng)稱為非線性連接。

對(duì)隔震支座進(jìn)行水平剪切試驗(yàn)，得到隔震支座的滯回曲線如圖1所示，由圖1可以看出滯回曲線飽滿，耗能性能良好。根據(jù)滯回曲線可以推導(dǎo)出隔震支座的一系列參數(shù)，將這些參數(shù)列入表1中。

表 1 隔震支座主要參數(shù)

型號(hào)設(shè)計(jì)承載力/kN最大位移mm等效水平剛度kN/mm等效阻尼比屈服力kN屈服后剛度比豎向剛度kN/mmLRB1000115004803．110．16167．40．205300LNB100092004801．610．05——3850

3 理論方法

文章采用快速非線性(FNA)方法，此方法分析快速準(zhǔn)確。

應(yīng)用典型的模態(tài)微分方程：

(1)

式(1)在非線性單元中代表同一時(shí)間點(diǎn)所有模態(tài)響應(yīng)函數(shù)，我們對(duì)所有模態(tài)微分方程同時(shí)積分，同時(shí)迭代獲得時(shí)間t的所有模態(tài)微分方程求得近似解：

(2)

由式(2)得：

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行理論推導(dǎo)，并整理得式(4)：

(4)

式(4)用矩陣的形式可表示為：

(5)

由式(3)和式(5)可得到式(6)表達(dá)式：

(6)

以上過(guò)程就是快速非線性(FNA)方法的基本思想和基本公式。

4 水平地震計(jì)算結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)自振周期

分別對(duì)無(wú)控鋼結(jié)構(gòu)建筑、基礎(chǔ)隔震鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，并取前五個(gè)周期列入表2進(jìn)行對(duì)比。

表2 周期比較

由表2可見(jiàn)，第1周期～第5周期基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)比無(wú)控結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了60%左右 ，隔震結(jié)構(gòu)的周期將比無(wú)控結(jié)構(gòu)大很多，可避開(kāi)地震卓越周期，降低了上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到隔震的目的。

4.2 數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

水平地震作用是處于6度以上的建筑均需考慮的，文章對(duì)無(wú)控鋼結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)隔震鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析。選取最典型，也是工程上最常用的地震波EL-Centro波來(lái)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，研究各結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)、層間位移角、加速度反應(yīng)和樓層剪力反應(yīng)，見(jiàn)圖2～圖5。

由圖2對(duì)比可知無(wú)控鋼結(jié)構(gòu)呈明顯的放大趨勢(shì)，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的位移折線雖有放大趨勢(shì)但斜率比無(wú)控結(jié)構(gòu)的小很多，基礎(chǔ)隔

震結(jié)構(gòu)與無(wú)控結(jié)構(gòu)相比，在EL-Centro波影響下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移分別降低了53%，基礎(chǔ)隔震效果良好。

通過(guò)圖3對(duì)比可知結(jié)構(gòu)在水平作用下的變形為剪切型，在結(jié)構(gòu)中下部位移角較大而底部和上部相對(duì)較小。經(jīng)分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)可有效改善層間位移角，從圖中可以發(fā)現(xiàn)基本規(guī)律：EL-Centro波在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角基本均勻變化，相比無(wú)控結(jié)構(gòu)，大大減小了層間位移角。

從圖4可知，與無(wú)控結(jié)構(gòu)相比，在EL-Centro波影響下，僅基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)加速度分貝降低了85%，而無(wú)控結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)從底層到頂層呈放大趨勢(shì)明顯，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)對(duì)于改善結(jié)構(gòu)加速度有較大作用。

由圖5可知：在EL-Centro波影響下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的樓層剪力比無(wú)控結(jié)構(gòu)的樓層剪力降低明顯，其底部總剪力分別是無(wú)控結(jié)構(gòu)的74%，減震效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本論文采用SAP2000V15建立分析無(wú)控鋼結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震模型，我們施加一條工程上最常用、最典型的強(qiáng)震地震波EL-Centro波對(duì)模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析。經(jīng)對(duì)比分析可知，無(wú)控鋼結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔震鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)相對(duì)位移峰值、層間位移角、加速度和層間剪力上，隔震結(jié)構(gòu)比無(wú)控結(jié)構(gòu)明顯降低，減震效果顯著。雖然基礎(chǔ)隔震鋼結(jié)構(gòu)比無(wú)控結(jié)構(gòu)成本有所增加，但材料用料降低，省力省工。因此基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)上，且隔震效果明顯，能有效降低地震災(zāi)害。

[1] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2] 金光輝,張凌云.隔震設(shè)計(jì)在高層建筑中的應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，2004(4)：95.

[3] 劉文光,何文福,霍 達(dá),等.大高寬比隔震結(jié)構(gòu)雙向輸入振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及數(shù)值分析[J].北京工業(yè)大學(xué)報(bào)，2007(6)：29.

[4] 丁 強(qiáng)，劉再華.具有疊層橡膠基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的多層建筑的動(dòng)力響應(yīng)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1995,8(4):59-66.

Analysis on anti-seismic performance of basic seismic-isolating steel structure

Li Qilian Li Zengzhuang Li Jinfeng Qi Yue

(HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang050018，China)

The paper introduces high-rise building and super-high-rise building steel structure features, takes the high-rise steel structure foundation seismic-isolating building as an example, establishes analysis model by applying SAP2000V15 software, and analyzes the seismic response for the model by strengthening strong seismic wave. Through studying the horizontal seismic calculation results, it finds out that basic seismic-isolating steel structure has obvious seismic reducing effect, which can be applies in high-rise steel structure.

steel structure, seismic-isolation, model, seismic wave

1009-6825(2015)30-0048-02

2015-08-19

李其廉(1965- )，男，副教授； 李增壯(1987- )，男，在讀碩士； 李金峰(1988- )，男，在讀碩士； 齊 越(1989- )，男，在讀碩士

TU352.1

A