隔震結(jié)構(gòu)平面模型的非線(xiàn)性地震反應(yīng)特征及參數(shù)研究

陳小燕

隔震結(jié)構(gòu)平面模型的非線(xiàn)性地震反應(yīng)特征及參數(shù)研究

陳小燕

本文采用平面基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析程序，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔震體系的地震反應(yīng)特征及參數(shù)進(jìn)行了研究。探尋橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析結(jié)果和傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行比較，闡述隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

基礎(chǔ)隔震；橡膠墊隔震；彈塑性時(shí)程分析；地震反應(yīng)特征；參數(shù)研究

1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的計(jì)算實(shí)例模型

1.1 模型的介紹

所用的計(jì)算實(shí)例是我國(guó)首棟基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)。其處于三類(lèi)建筑場(chǎng)地，基本設(shè)防烈度為8度。其上部結(jié)構(gòu)的水平抗剪剛度和質(zhì)量：隔震層的質(zhì)量為 0.215×106kg，Kb1為 3.0×106N·m-1，Kb2為 2.4×106N·m-1，隔震層的阻尼比為0.10，其它各層的阻尼比為0.05。

1.2 選用的地震波情況

本文選用的地震波為EL-CENTRO波南北向、EL-CENTRO波東西向、EL-CENTRO波豎向以及天津波南北向、天津波東西向、天津波豎向。

2 抗震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)對(duì)比

2.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

用自編的程序計(jì)算得到抗震結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在彈性階段的周期，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的自振周期（s）

從表1可以得出以下結(jié)論：

（1）隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)相比，前者的各階自振周期比后者的各階自振周期都長(zhǎng)，而抗震結(jié)構(gòu)的第一自振周期與場(chǎng)地的卓越周期Tg很接近，故對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震不利?？梢?jiàn)采用了隔震裝置的結(jié)構(gòu)其自振周期大大的延長(zhǎng)了。結(jié)構(gòu)自振周期越長(zhǎng)，越遠(yuǎn)離場(chǎng)地的卓越周期，地震時(shí)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)越小。

（2）隔震結(jié)構(gòu)的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗震結(jié)構(gòu)的自振周期，從而避開(kāi)了地震波的主要成份，這正是隔震結(jié)構(gòu)能夠減小地震作用的原因。因此隔震結(jié)構(gòu)的自振周期應(yīng)該與地震波主要成份相差越大越好。

2.2 結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)對(duì)比

以EL-Centro波和天津波為例，對(duì)抗震結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)時(shí)程分析。按照8度多遇、設(shè)防烈度與罕遇輸入地震波，即輸入加速度峰值按比例放大為0.7m/s2、2m/s2和4m/s2的地震波。時(shí)程計(jì)算的時(shí)間為20s。

2.2.1 結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)分析

（1）由表2～4可看出在不同地震波作用下，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)相比都有很大減小。原因是隔震層很好的隔離了地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳播。

（2）基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的加速度值明顯小于抗震結(jié)構(gòu)的加速度值。

（3）基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隨地震波加速度峰值的增加，結(jié)構(gòu)的加速度放大倍數(shù)都減小，表明地震波輸入增大時(shí)，鉛芯橡膠支座水平剛度減小，鉛芯塑性變形增加，吸收地震能量，有效的隔離地面運(yùn)動(dòng)向上傳播。

2.2.2 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)分析

（1）可以看出，在隔震結(jié)構(gòu)中，在0層，即橡膠支座層的位移十分明顯，在結(jié)構(gòu)位移中占了相當(dāng)大的比例；其次隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)相比，其上部層間位移都有顯著的減小。由此可見(jiàn)，橡膠墊隔震層充分發(fā)揮了其大變形、消耗地震能量的作用，使得上部結(jié)構(gòu)的的地震反應(yīng)明顯減輕。

（2）由圖1可以看出，隨地震波作用的增大，結(jié)構(gòu)各層位移顯著增加。而上部結(jié)構(gòu)層間位移變化不大，表明地震動(dòng)輸入較大時(shí)，變形集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)變形變化不大，從而有效地隔離地面運(yùn)動(dòng)。

在地震波作用下，隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力峰值明顯小于抗震結(jié)構(gòu)的層間剪力峰值。

表2 多遇地震作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值

表3 設(shè)防烈度地震作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值

表4 罕遇地震作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值

3 隔震結(jié)構(gòu)雙線(xiàn)性恢復(fù)力滯回特性曲線(xiàn)中各參數(shù)的影響

雙線(xiàn)性恢復(fù)力模型中的各參數(shù)包括水平初剛度、水平第二剛度、屈服位移和強(qiáng)化階段的最大位移四個(gè)方面，其中水平初剛度直接影響隔震系統(tǒng)的自振周期，進(jìn)而影響隔震效果，屈服位移和水平第二剛度對(duì)隔震效果的影響分析如下：

（1）固定水平第二剛度（為水平初剛度的0.7倍）不變，將屈服位移由20mm逐步過(guò)濾到70mm（不超過(guò)隔震層的最大的位移），看其對(duì)地震反應(yīng)的影響。

圖1 設(shè)防烈度地震作用下抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層間位移峰值對(duì)比

圖2 結(jié)構(gòu)頂層峰值絕對(duì)加速度隨屈服位移的變化

圖3 隔震層峰值位移隨屈服位移的變化

從圖2可以看出，屈服位移X0＜20mm時(shí)，結(jié)構(gòu)頂部峰值絕對(duì)加速度隨著X0的增大而減??；20mm＜X0＜70mm時(shí)，結(jié)構(gòu)頂部峰值絕對(duì)加速度隨著X0的增大而增大。從圖3可以看出，當(dāng)屈服位移X0＜30mm時(shí)，隔震層的峰值位移隨著X0增大而迅速減小；當(dāng)屈服位移X0＞30mm時(shí)，隔震層的峰值位移隨著X0的增大而增大。

（2）固定屈服位移（X0=30mm）不變，改變第二水平剛度（通過(guò)改變第二水平剛度與水平初剛度的比值—?jiǎng)偠日蹨p系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)）進(jìn)行分析。

圖4 結(jié)構(gòu)頂部峰值位移絕對(duì)加速度隨剛度折減系數(shù)的變化

圖5 隔震層峰值位移隨著剛度折減系數(shù)的變化

從圖4可以看出，在剛度折減系數(shù)小于0.6時(shí)，結(jié)構(gòu)頂部峰值絕對(duì)加速度變化較小；剛度折減系數(shù)在0.60～1.0時(shí)，結(jié)構(gòu)頂部峰值絕對(duì)加速度隨著剛度折減系數(shù)的增大而增大。從圖5可以看出，在剛度折減系數(shù)小于0.4時(shí)，隔震層的峰值位移隨著剛度折減系數(shù)的增大而迅速減??；剛度折減系數(shù)在0.4～0.8之間時(shí)，隔震層的峰值位移變化很?。粍偠日蹨p系數(shù)在0.8～1.0之間時(shí)，隔震層的峰值位移隨著剛度折減系數(shù)的增大而緩慢增大。

4 結(jié)論

本文采用平面基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)彈塑性分析程序，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔震體系的地震反應(yīng)特征及參數(shù)進(jìn)行了研究，得到以下的重要結(jié)論：

（1）采用平面基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)彈塑性分析程序，進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析，可以得到隔震結(jié)構(gòu)的各階自振周期都有明顯增長(zhǎng)，離場(chǎng)地的特征周期較遠(yuǎn)，從而能夠避開(kāi)地震動(dòng)的主要頻段。

（2）對(duì)隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了研究，可以得出隔震結(jié)構(gòu)加速度明顯小于抗震結(jié)構(gòu)加速度，隔震結(jié)構(gòu)的主要變形變形集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)各層的層間位移都有很大減小，基本作整體平動(dòng)，層間剪力也明顯小于抗震結(jié)構(gòu)。說(shuō)明隔震有濾波的作用，阻隔了地震波中的某些主要頻率成分向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，能有效地減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

[1]王建強(qiáng)，管品武，姚謙峰.鉛芯疊層橡膠支座基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)雙向地震反應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動(dòng)，2005，25（1）：133～137.

[2]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

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

[4]R.I.Skinner，W.H.Robinsow，G.H.Mcverry.謝禮立，周雍年，趙興全，譯.工程隔震概論[M].北京：地震出版社，1996.

TU352.12

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1004-7344（2016）23-0298-02

2016-7-30