采用隔震技術(shù)高層建筑彈塑性分析*

張麗娟， 白 良

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000;2. 呼和浩特職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；3.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

采用隔震技術(shù)高層建筑彈塑性分析*

張麗娟1,2， 白 良3*

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000;2. 呼和浩特職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；3.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

采用彈塑性時程分析方法研究某16層隔震建筑的抗震性能，結(jié)果表明，一般抗震結(jié)構(gòu)主要控制層間位移，上部結(jié)構(gòu)的地震加速度遠(yuǎn)大于隔震結(jié)構(gòu)．普通抗震結(jié)構(gòu)在8度多遇及罕遇地震作用下已經(jīng)進入了塑性階段，部分區(qū)域已經(jīng)破壞，而隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇及罕遇地震作用下仍處于彈性階段，減少了震后維修．根據(jù)加速度響應(yīng)得出隔震結(jié)構(gòu)是一種有效的抗震措施．

隔振結(jié)構(gòu)；彈塑性分析；多遇罕遇地震

地震是一種破壞性極大的自然災(zāi)害，在地震面前,人們只能去克服其帶來的災(zāi)害，而與其爭斗往往會有慘痛的教訓(xùn)．隨著城市的建設(shè)和商業(yè)的發(fā)展，城市可利用地塊在急劇減少，為滿足城市人口對建筑的需求，高層建筑越來越多．

地震給高層建筑帶來的損害是不容忽視的．建筑隔震技術(shù)通過調(diào)整或改變結(jié)構(gòu)的動力性能，以明顯衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)．隔震技術(shù)屬于被動控制，技術(shù)上容易實現(xiàn)，有廣闊的應(yīng)用前景．

國內(nèi)已經(jīng)有超過500個實際工程采用了橡膠隔震支座[1～5]．本文主要針對某高層結(jié)構(gòu)(采用隔震支座)進行彈塑性分析和討論，研究隔震技術(shù)對高層建筑抗震的有效性．

1 基礎(chǔ)隔震原理

隔震上部結(jié)構(gòu)的層間位移很小，整體結(jié)構(gòu)的水平位移主要由隔震支座決定．將上部結(jié)構(gòu)簡化為一個質(zhì)點，則可以用簡化為一個單自由度體系的模型進行分析，近似的用隔震裝置的K和C來代替整體結(jié)構(gòu)的K和C(K表示剛度，C表示阻尼)．

結(jié)合圖1列出在地震作用下的結(jié)構(gòu)動力微分方程式：

(1)

定義隔震結(jié)構(gòu)的固有頻率ωn，阻尼比ζ：

則(1)式可簡化為：

(2)

利用轉(zhuǎn)變函數(shù)的方法對公式(2)進行整理，可得隔震結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)轉(zhuǎn)換函數(shù)：

定義Ra為隔振結(jié)構(gòu)衰減的效果，即隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)衰減比．除地震本身因素外，隔震支座的剛度和阻尼對地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有較大影響．

2 計算模型

本文采用如圖2所示的有限元模型，該建筑為商住樓，層高3.3 m共16層，建筑總高度為52.8 m，房屋標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖3．抗震設(shè)防烈度8度，場地類別2類．

選取普通抗震設(shè)計方案與隔震方案兩種．

建筑物的水平荷載主要是風(fēng)荷載和地震荷載,根據(jù)抗震規(guī)范的規(guī)定，高度小于60 m的建筑可以不考慮風(fēng)荷載，本文建筑高度52.8 m，故本文不考慮風(fēng)荷載的作用．設(shè)防烈度為8度，分析結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的時程響應(yīng)．

表1 橡膠支座物理參數(shù)

3 選取地震波

合理的選取適合于該建筑物的地震波是進行結(jié)構(gòu)時程分析的關(guān)鍵所在．本文場地類別為2類，選取較為典型的El-Centrol(NS，1940)波，如圖4所示．

4 隔震支座特性

在普通結(jié)構(gòu)底部添加隔振支座，隔振支座采用橡膠支座，上部結(jié)構(gòu)不變．橡膠支座參數(shù)如表1所示．

5 結(jié)構(gòu)動力特性對比

計算隔振結(jié)構(gòu)房屋的自振周期和振型，如表2所示．

由表2可以看出，隔振結(jié)構(gòu)自振周期遠(yuǎn)大于普通結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)周期增大表明結(jié)構(gòu)體系變?nèi)幔卣鹱饔孟碌卣痦憫?yīng)減弱．結(jié)構(gòu)振型為X方向平動，Y方向平動以及扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心對稱性較好．

表2 自振周期

6 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)[6]對結(jié)構(gòu)進行加載，時程分析所用地震加速度最大值如表3所示．

表3 地震加速度時程的最大值(cm/s2)

6.1 加速度響應(yīng)

選取屋頂?shù)墓?jié)點，普通結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時程曲線如圖5所示．

由圖5可以得到：(1)多遇地震下，隔振結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)比普通結(jié)構(gòu)峰值低，約降低79%，最大值與原有地震波峰值出現(xiàn)在同一位置，且曲線與波形曲線相似；(2)罕遇地震下，隔振結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)小于普通結(jié)構(gòu)，降低效率與多遇地震相差不大，約為79%；(3)由于隔震支座的存在，結(jié)構(gòu)的整體加速度響應(yīng)有顯著的改善，表明在地震作用下會減弱給人們帶來的振動感，給人們的逃生創(chuàng)造有利條件．

6.2 位移響應(yīng)

普通結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時程曲線如圖6所示．

由圖6可以了解到：(1)無論是多遇地震還是罕遇地震，隔震結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均大于普通結(jié)構(gòu)，普通結(jié)構(gòu)的位移曲線與原始波形相似，而隔震結(jié)構(gòu)的波形與原有波形相差較大．在多遇地震和罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的最大位移約為普通結(jié)構(gòu)最大位移的1.45倍．(2)橡膠支座的存在使結(jié)構(gòu)的剛度減弱，體系變?nèi)幔?/p>

6.3 層間位移響應(yīng)

8度多遇及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移時程曲線如圖7所示．

圖7表明：(1) 結(jié)構(gòu)層間位移曲線與原始波形曲線相似．配合位移曲線圖可以了解到，雖然隔振結(jié)構(gòu)位移普遍大于普通結(jié)構(gòu)，但是隔振結(jié)構(gòu)的層間位移卻小于普通結(jié)構(gòu)，這說明由于隔振支座的存在使得結(jié)構(gòu)由原來的上部結(jié)構(gòu)運動變?yōu)檎w結(jié)構(gòu)的運動，這與前面振型分析是一致的．(2) 由結(jié)構(gòu)的層間位移可以計算出結(jié)構(gòu)頂層的層間位移角，8度罕遇地震下層間位移角為3/3 300=1/1 100，與抗震規(guī)范規(guī)定的數(shù)值1/50相比，結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲備，隔振結(jié)構(gòu)層間位移角1/3 300遠(yuǎn)小于1/50，表明此結(jié)構(gòu)還存在優(yōu)化的可能．

6.4 頂點位移-基底剪力

普通結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)頂點位移-基底剪力時程曲線如圖8所示．

由圖8可以了解到：(1) 8度多遇地震和罕遇地震時普通結(jié)構(gòu)已進入到塑性階段，而在8度多遇和罕遇地震作用時，隔振結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)仍然處于絕對彈性工作狀態(tài)，這不但可以確保在強烈地震作用下一些重要結(jié)構(gòu)、生命線工程、及內(nèi)部有重要設(shè)備的建筑物正常使用，更重要的是可以保證人們的生命安全及財產(chǎn)安全．(2) 隔振結(jié)構(gòu)的上部在地震時處于彈性階段，這就對上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求沒有普通結(jié)構(gòu)嚴(yán)格．(3) 地震后大量結(jié)構(gòu)的修復(fù)工作保證人們在震后有一個可靠的居住環(huán)境，普通結(jié)構(gòu)的修繕及局部處理需要耗費很長時間，而隔振結(jié)構(gòu)僅需要在震后對隔振支座進行檢查和必要的更換即可，可很快的恢復(fù)正常的生活和社會生產(chǎn)，從這一方面來說隔振結(jié)構(gòu)要遠(yuǎn)好于普通結(jié)構(gòu)．

7 結(jié) 論

(1) 在多遇和罕遇地震作用下，隔振結(jié)構(gòu)的加速度相應(yīng)都要小于普通結(jié)構(gòu)，且降低效率相差不大.

(2) 隔振橡膠支座的存在減弱結(jié)構(gòu)剛度，無論是在多遇還是罕遇地震下，隔振結(jié)構(gòu)的位移相應(yīng)均大于普通結(jié)構(gòu)．由于隔振支座使得隔振結(jié)構(gòu)振型為整體平動，隔振結(jié)構(gòu)的層間位移要小于普通結(jié)構(gòu)，且增大了結(jié)構(gòu)的安全儲備．

(3) 隔振結(jié)構(gòu)在多遇及罕遇地震作用下處于彈性階段，可以保證人們的生命及財產(chǎn)安全，給震后建筑的修繕帶來了很大的便利．

[1] 岳建偉,王振鋒, 黃曉亮.勁性橡膠隔震支座的力學(xué)性能試驗研究[J].河南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,42(5):658-662.

[2] 陳鑫,李愛群.新型形狀記憶合金隔震支座設(shè)計與分析[J].振動與沖擊，2011,30(6):256-260.

[3] 黃海生,王柏生.基礎(chǔ)隔震建筑非線性動力響應(yīng)時程計算方法[J].振動與沖擊,2005,24(3):50-52.

[4] 侯寶隆.日本隔震技術(shù)的新發(fā)展與控震技術(shù)的實際應(yīng)用[J].工業(yè)建筑, 2000,30(11):74-78.

[5] 吳忠鐵.疊層橡膠支座-RC柱串聯(lián)隔振體系非線性力學(xué)研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

[6] 建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011-2010[S].

責(zé)任編輯：龍順潮

Elastoplastic Analysis of Tall Building Using Isolation Technology

ZHANGLi-juan1,2,BAILiang3*

(1.School of Architecture,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010000；2.Vocational College of Hohhot of Inner Mongolia,Hohhot 010000；3.School of Architecture Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500 China)

The paper studied elastic-plastic time history analysis Seismic isolation performance of a 16-story building, the results show that general seismic structure of the main control layer displacement, seismic acceleration generally much larger than the upper structure of isolated structure. Ordinary seismic structure and in the case of 8 degrees more rare earthquake has entered the plastic stage action, part of the region shall be subject to damage. The isolated structure in the case of 8 degrees and more rare earthquake either in elastic phase, reducing maintenance after the earthquake structure. Isolated structural acceleration response is significantly less than conventional construction, the use of isolation structure is an effective seismic measures.

isolation structure; elastoplastic analysis; multi encountered strong earthquake

2014-10-15

白良(1964— ),男，云南 昆明人，教授.E-mail:bailiang050608@126.com

TU234

A

1000-5900(2015)02-0069-06