層間滑移隔震結構地震作用有限元分析①

張海龍,展　猛,王社良,

(1.西京學院土木工程學院,陜西 西安 710123；2.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710055)

?

層間滑移隔震結構地震作用有限元分析①

張海龍1,展猛2,王社良1,2

(1.西京學院土木工程學院,陜西 西安 710123；2.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710055)

將二硫化鉬作為摩擦材料設計出一種帶限位器的滑移隔震支座。根據(jù)多層框架結構變形的特點,給出適用于滑移框架隔震結構的計算模型,推導出層間滑移隔震結構的運動方程。運用SAP2000有限元軟件建立一層間滑移框架隔震結構的有限元模型,對比分析El Centro地震波下摩擦系數(shù)和隔震層位置不同時隔震結構的地震反應。結果表明,上部結構的動力反應隨摩擦系數(shù)的增加而不斷增大,滑移隔震結構的減震效果逐漸減弱,但隔震層的滑移量卻在不斷減小;摩擦系數(shù)的選取應綜合考慮減震效果和隔震層滑移量兩個因素。隨著隔震層的增高,結構的加速度反應和層間位移反應整體上呈增大趨勢,隔震效果不斷減弱,且隔震層的加速度值下部層比上部層要大得多,一層隔震和三層隔震時的變形主要集中于隔震層,而五層隔震時結構層間位移并未出現(xiàn)突變,說明隔震層設置在較高位置處對結構體系的影響較小。

二硫化鉬； SAP2000； 框架結構； 層間滑移； 摩擦系數(shù)

0　引言

基礎滑移隔震是在建筑物上部結構和基礎之間設置一個滑移面,將上部結構看成一個剛體,地震時允許建筑物相對于基礎做整體平動,通過摩擦滑移來增加結構的自振周期,削弱地震能量向上部結構的傳遞,同時消耗吸收部分能量,從而實現(xiàn)了隔離地震的目的。由于該技術具有簡單易行、造價低廉,不會出現(xiàn)共振等優(yōu)點,國內(nèi)外學者已對其減震機理和分析方法進行了大量研究。夏修身[1]基于鐵路連續(xù)梁拱組合體系橋梁提出了摩擦擺支座減、隔震設計的原則與方法,分析其減震效果。Makris等[2]研究不同摩擦系數(shù)及阻尼力的摩擦隔震系統(tǒng),提出了較低的摩擦系數(shù)和黏滯阻尼力組合使用更為有利。樊劍等[3]提出連續(xù)型指數(shù)摩擦力模型,采用poincare映射法分析滑移隔震結構在地面諧運動下的周期響應,并采用高精度時程積分法對滑移隔震結構的地震響應進行計算分析,繪制了上部結構動力系數(shù)反應譜和基底最大滑移量反應譜。毛利軍等[4]根據(jù)振型分解在不同地震波類型、地震波幅值、結構層數(shù)、上部結構固有周期、滑移摩擦系數(shù)和模型分析參數(shù)質(zhì)量比影響因素下廣義雙自由度模型對多層滑移隔震結構最大滑移位移的計算精度和適應性。張延年等[5]對雙向耦合地震作用下滑移隔震結構模型進行理論研究,建立了相應的動力分析模型并得出其運動微分方程來進行地震反應分析。李慧等[6]運用SAP2000分別模擬一幢8層帶裙房鋼筋混凝土框架層間隔震結構、基礎隔震結構和抗震結構,分析并對比三種結構在近場地震作用下的動力響應特征。

可以看出,上述研究主要集中在層數(shù)較低的磚房結構的基礎隔震,對于多層框架結構的層間隔震研究還很少。本文將二硫化鉬作為摩擦材料設計出一種帶限位器的滑移隔震支座,采用SAP2000軟件對一多層的框架結構工程進行不同摩擦系數(shù)和不同隔震層位置的地震反應模擬計算,以分析摩擦系數(shù)和隔震層位置對摩擦滑移隔震結構減震效果的影響。

1　滑移隔震支座

充分利用二硫化鉬固體潤滑劑抗高壓、耐高溫、低摩擦和速度適應范圍寬等優(yōu)點[7-8],將其作為滑移摩擦材料設計出一種新型滑移隔震裝置,如圖1所示。上下鋼墊板分別通過預埋螺栓與混凝土結構連接。在下摩擦板中加入疊層橡膠墊,使隔震層各支座之間受力均勻,防止振動工程中可能引起的結構扭轉,橡膠墊的數(shù)量可根據(jù)上部結構的重量來確定；小盒防止了下摩擦板中的疊層橡膠與鋼板之間受拉破裂；預埋導向板上留有邊長為2a的正方形孔槽,以避免X向?qū)虬逶赮向地震中受扭破壞；圓錐鋼棒限位器底端直徑為D,高為H,沿著導向板滑移,自由滑移量為a,數(shù)量由上部結構的剛度來確定。

圖1　滑移隔震裝置的構造圖Fig.1　Diagram of the sliding isolation structure

2　層間滑移隔震結構動力分析模型

摩擦滑移隔震結構的各層層間剪力和層間位移一般都比較小,因此上部結構的變形可以認為處在彈性范圍內(nèi),這樣結構就可以簡化為層間剪切模型進行計算。該模型中結構各層的質(zhì)量以質(zhì)點的形式集中于樓蓋處,豎向受力構件可以簡化成一豎桿,其剛度為樓層的等效剪切剛度。由于滑移隔震結構體系的滑移層支撐凈高一般較小,因此不會產(chǎn)生較為明顯的豎向變形,故多層框架隔震體系可以簡化為剪切型多質(zhì)點平動體系模型進行動力分析[9]。層間滑移隔震結構的計算模型如圖2所示。

圖2　層間滑移隔震結構計算模型Fig.2　Calculation model of the interlayer sliding isolation structure

考慮限位器的作用,則層間滑移隔震結構滑動時的運動方程為[10]:

(1)

其中:

3　多層框架結構隔震有限元分析

3.1結構模型簡介

以某框架結構科研辦公樓為研究對象。該建筑為地下1層,地上6層,層高分別為:地下室6.25 m,第1層3.9 m,標準層3.6 m,頂層4.5 m; 其中沿X方向為5 跨,軸間距為8.4 m,沿Y方向為3 跨,邊跨軸間距為 7.2 m,中間跨軸間距為2.7 m。結構模型平面布置示意如圖3所示。為提高該建筑結構的抗震安全性,對其進行摩擦滑移隔震設計。其中隔震裝置采用分離式摩擦滑移隔震系統(tǒng),由滑移隔震支座和限位消能裝置組成,在水平地震作用下隔震支座通過滑動摩擦力來控制上部結構的地震作用效應,限位效能裝置利用其彈塑性變形來防止產(chǎn)生過大的滑移量。

圖3　框架結構模型平面布置示意圖(單位:mm)Fig.3　Layout plan of the frame structure model (Unit:mm)

為了方便限位器的安裝,同時考慮到復位,可將限位器與滑移層分離,在柱下安裝滑移隔震支座處增設限位復位平臺,其安裝示意見圖4。

圖4　滑移支座安裝平臺示意圖Fig.4　Diagram of sliding bearing platform

3.2有限元模型的建立

抗震結構和隔震結構以及結構構件模擬分析時均按照Ⅷ度設防進行設計?；炷翉姸鹊燃壘捎肅35；鋼筋強度框架柱、梁、板為HRB400,箍筋為HPB300。在SAP2000中梁柱的模擬采用其自身提供的框架單元,結構中面單元的模擬采用shell單元。梁柱配筋采取軟件自動配筋。滑移隔震裝置采用Friction Isolator 摩擦隔震單元來模擬,其中限位消能裝置的模擬選用多段線性塑性連接單元中的隨動硬化模型。

在進行減震效果分析時,分別建立抗震模型和滑移隔震模型進行對比分析?？拐鹉Ｐ蜑樯喜拷Y構底部固結的分析模型；滑移隔震模型為在建筑物本層柱頂與上層底板之間加設摩擦隔震單元的分析模型,摩擦隔震單元下節(jié)點與本層柱頂連接,上節(jié)點與本層頂梁連接,同時在本層柱頂所在平面加設連系梁以減少其側移?；聘粽鸾Y構的有限元分析模型如圖5所示。

圖5　滑移隔震結構有限元模型Fig.5　Finite element model of the sliding isolation structure

3.3工況分析

選用El Centro波來分析摩擦滑移隔震結構的減震效果。加速度峰值調(diào)幅為Ⅷ度罕遇400 gal,沿X向單向加載,間隔0.02 s,持時30 s,采用非線性直接積分法對隔震計算模型和抗震計算模型進行地震響應對比分析。將隔震裝置布置在地下室頂板,取0.04、0.06、0.08及0.1為摩擦系數(shù)來分析其對隔震結構的影響。摩擦系數(shù)取0.05,隔震層位置分別布置在第1、3及5層來分析隔震層位置對隔震結構的影響。

3.4模擬結果與分析

圖6給出了不同摩擦系數(shù)下模型結構的加速度、層間位移和層間剪力反應對比圖?？梢钥闯?隨著摩擦系數(shù)的增大,上部結構的加速度反應、層間位移反應和層間剪力反應都逐漸增大,摩擦滑移隔震結構的減震效果逐漸減弱,但隔震層的滑移量卻在不斷減小,摩擦系數(shù)0.4時為68.65 mm,1.0時為34.57 mm。這說明摩擦系數(shù)越小,滑移隔震體系的隔震減震效果越好,但隔震層的滑移位移則越大,因此實際工程中摩擦系數(shù)的選取應綜合考慮減震效果和隔震層滑移量兩個因素。

圖6　不同摩擦系數(shù)時隔震結構的地震反應Fig.6　Seismic response of isolation structure under different friction coefficients

圖7給出了隔震層位置不同時結構的絕對加速度反應和層間位移反應。可以看出,隨著隔震層的增高加速度反應整體呈增大趨勢,隔震效果不斷減弱,且隔震層下部層的加速度值比上部層要大得多。同時可以看出,當三層隔震時,結構三層及以上各層的加速度反應小于一層隔震,表現(xiàn)出較好的減震效果。從圖中還可以看出,層間位移反應總體上隨著隔震層位置的增高而逐漸增大,一層隔震和三層隔震時相應的變形主要集中于隔震層,一層隔震時的隔震層位移大于三層隔震時,但其余層的層間位移三層隔震大于一層隔震;而五層隔震時結構的變形并未集中在隔震層,且層間位移相對較大。這主要是因為層間剪切體系的層間位移沿高度增加而不斷減小,較高層的層間位移較小,隔震層設置在較高層對結構的影響較小,其隔震效果也越差。

4　結論

以二硫化鉬作為摩擦材料設計出一種帶限位器的滑移隔震支座。運用SAP2000有限元軟件,建立一多層摩擦滑移框架結構的有限元模型,并對不同摩擦系數(shù)和不同隔震層位置時的動力反應進行分析,研究摩擦系數(shù)和隔震層位置對摩擦滑移隔震結構減震效果的影響,主要結論如下:

(1)上部結構的動力反應隨摩擦系數(shù)的增加而不斷增大,滑移隔震結構的減震效果逐漸減弱,但隔震層的滑移量卻在不斷減小,摩擦系數(shù)為0.4時其滑移量為68.65 mm,1.0時降低為34.57 mm。這表明摩擦系數(shù)越小滑移隔震體系的隔震減震效果越好,但隔震層的滑移位移會越大,因此實際工程中摩擦系數(shù)的選取應綜合考慮減震效果和隔震層滑移量兩個因素。

(2)隨著隔震層的增高,滑移隔震結構的加速度反應整體上呈增大趨勢,隔震效果不斷減弱,且隔震層下部層的加速度值比上部層要大得多。此外,當三層隔震時結構三層及以上各層的加速度反應小于一層隔震,表現(xiàn)出較好的減震效果。

(3)層間位移反應總體上隨著隔震層位置的增高而逐漸增大,一層隔震和三層隔震時相應的變形主要集中于隔震層,一層隔震時的隔震層位移大于三層隔震時,但其余層的層間位移三層隔震大于一層隔震;而五層隔震時,由于層間剪切型結構體系較高層的層間位移較小,隔震層設置在較高層對結構的影響較小,此時結構的變形并未集中在隔震層,且層間位移相對較大。

References)

[1]夏修身.鐵路連續(xù)梁拱組合橋基于摩擦擺支座的減隔震研究[J].西北地震學報,2012,34(4):350-354.

XIA Xiu-shen.Seismic Isolation of Combined System of Continuous Girder-arch Railway Bridge Using Friction Pendulum Bearing[J].Northwestern Seismological Journal,2012,34(4):350-354.(in Chinese)

[2]Makris N,Chang S P.Effect of Viscous,Viscoplastic and Friction Damping on the Response of Seismic Isolated Structures[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2000,29(6):85-107.(in Chinese)

[3]樊劍,唐家祥.滑移隔震結構的動力特性及地震反應[J].土木工程學報,2000,33(4):11-16.FAN Jian,TANG Jia-xiang.Structure Dynamic Characteristics and Seismic Response of Sliding Base-isolated Structure[J].China Civil Engineering Journal,2000,33(4):11-16.(in Chinese)[4]毛利軍,李愛群.多層滑移隔震建筑結構的簡化模型及其分析精度[J].建筑結構學報,2005,26(2):117-123.

MAO Li-jun,LI Ai-qun.The Simplified Models and Their Precision for Analysis of Multi-story Sliding Isolated Structures[J].Journal of Building Structures,2005,26(2):117-123.(in Chinese)

[5]張延年,李宏男.雙向耦合地震作用下滑移隔震結構振動控制及其優(yōu)化研究[J].地震工程與工程振動,2007,27(1):141-146.

ZHANG Yan-nian,LI Hong-nan.Seismic Responses of Sliding Isolated Structure under Bidirectional Coupling Earthquake and Its Optimization[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2007,27(1):141-146.(in Chinese)

[6]李慧,包超,杜永峰.近場地震作用下不規(guī)則層間隔震結構的動力響應分析[J].地震工程學報,2013,35(1):51-55.

LI Hui,BAO Chao,DU Yong-feng.Dynamic Response Analys of Irregular Story Isolation Structures under Near-field Earthquake Conditions[J].China Earthquake Engineer Journal,2013,35(1):51-55.(in Chinese)

[7]張文鉦,姚殳.二硫化鉬制備與應用研究進展[J].潤滑油,2006,21(4):19-25.

ZHANG Wen-zheng,YAO Shu.An Advance in the Research of Preparation and Application of Molybdenum Disulfide Lubricant[J].Lubricating Oil,2006,21(4):19-25.(in Chinese)

[8]王國棟,蔣麗娟,李來平,等.二硫化鉬潤滑劑應用研究進展[J].中國鉬業(yè),2013,37(5):10-14.

WANG Guo-dong,JIANG Li-juan,LI Lai-ping,et al.Advances in Research on Molybdenum Disulfide Additive[J].China Molybdenum Industry,2013,37(5):10-14.(in Chinese)

[9]蘇經(jīng)宇,曾德民,田杰.隔震建筑概論[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012.

SU Jing-yu,ZENG De-min,TIAN Jie.Introduction to Isolation Structures[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2012.(in Chinese)

[10]楊佳玲.新型滑移隔震支座性能試驗研究及隔震結構地震反應分析[D].西安:西安建筑科技大學,2012.

YANG Jia-ling.Experimental Investigation on New Sliding Isolation Device and Seismic Response Analysis of Isolated Structure[D].Xi'an:Xi'an University of Architecture and Technology,2012.(in Chinese)

Finite Element Analysis of the Seismic Response of an Interlayer Sliding Isolation Structure

ZHANG Hai-long1,ZHAN Meng2,WANG She-liang1,2

(1.School of Civil Engineering,Xijing University,Xi'an 710123,Shaanxi,China;2.School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,Shaanxi,China)

In this paper,using molybdenum disulfide as the friction material,a sliding isolation bearing with a limit stop is designed according to the deformation characteristics of multilayer frame structures,a calculation model for a sliding frame structure is given and an equation of motion for an interlayer sliding base-isolated structure is established.Using SAP2000 software,a finite element model of an interlayer sliding frame isolation structure is established and the seismic response of the structure compared and analyzed under different friction coefficients and isolation layer positions using the EL Centro seismic wave.The results show that the dynamic response of the upper structure increases with an increasing friction coefficient,the damping effect of the structure gradually weakens,and the isolation layer slippage constantly decreases.Therefore,selection of the friction coefficient should consider the damping effect and isolation layer slippage.In a higher isolation layer,the acceleration and interlayer displacement responses show an increasing trend and weakened isolation effect;the acceleration value of the lower part of the isolation layer is larger than that of the upper part.The deformation of first and third layer isolation is mainly focused on the isolation layer,but the interlayer displacement of fifth layer isolation does not appear altered.It indicates that the higher isolation layer has less effect on the structure system.

molybdenum disulfide; SAP2000; frame structure; interlayer sliding; friction coefficient

2016-03-27

國家自然科學基金(51178388)；陜西省教育廳專項(14JK1420);陜西省教育廳科研項目(15JK2171)

張海龍(1982-),男,陜西寶雞人,講師,主要從事結構抗震、隔震減震等方面的研究。

展猛。E-mail:zhanyi313@163.com。

TU352.1+2

A

1000-0844(2016)04-0558-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0558