基于SAP2000的多層框架教學(xué)樓隔震分析

袁 野

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

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基于SAP2000的多層框架教學(xué)樓隔震分析

袁 野

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

以某鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓工程為例，采用有限元軟件SAP2000，對隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)和時程分析，并對兩種結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)布置隔震支座后，可以有效延長結(jié)構(gòu)自振周期，減小層間剪力和位移。

框架結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)，鉛芯橡膠支座，時程分析

0 引言

地震是一種突發(fā)性、毀滅性的自然災(zāi)害，它對人類的生命和財產(chǎn)構(gòu)成非常嚴(yán)重的威脅，一次突發(fā)性的大地震可使整個城市在短時間之內(nèi)變成一片廢墟[1]。地震還可能會引發(fā)火災(zāi)、海嘯和瘟疫等次生災(zāi)害。我國是世界上多震害國家之一，從地震分布特征看，我國處于世界兩大地震構(gòu)造系的交匯部位[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對于地震帶來的安全問題越來越重視，我國學(xué)者也在這方面做了很多的研究。在傳統(tǒng)的抗震研究中，所采取的抗震方法主要是消極地對建筑結(jié)構(gòu)采取加強的措施，體現(xiàn)在“抗”震上，依靠結(jié)構(gòu)自身的承載能力、變形能力和耗能能力來抵抗地震作用。近年來各國學(xué)者對于抗震研究有了新的想法，致力于減小結(jié)構(gòu)中地震能量的輸入，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從而達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的。

本文以一個鋼筋混凝土多層框架教學(xué)樓結(jié)構(gòu)為背景，根據(jù)規(guī)范以及相關(guān)手冊[3,4]的要求，為該結(jié)構(gòu)體系設(shè)計隔震支座體系，并用大型有限元軟件SAP2000對該隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析得出隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果，為類似工程結(jié)構(gòu)提供參考。

1 模型概況及SAP2000建模

1.1 工程概況

本文中工程為一棟鋼筋混凝土多層框架教學(xué)樓結(jié)構(gòu)，共6層，建筑總高度22.95 m(不包括基礎(chǔ)埋深)。采用7度半的抗震設(shè)防烈度，屬于重點設(shè)防類建筑，所屬場地分類為Ⅳ類，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值0.15g。整個框架結(jié)構(gòu)均采用C30混凝土?？紤]到建筑設(shè)計可行性及性價比等因素，采用隔震技術(shù)，減小房屋的地震作用。

1.2 SAP2000建模

用有限元分析軟件SAP2000對該框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，三維模型如圖1所示。節(jié)點總數(shù)542個，框架單元1 028個，面單元282個，連接單元40個。結(jié)構(gòu)長度方向為X軸，寬度方向為Y軸，豎向為Z軸。

1.3 輸入地震荷載

本文地震輸入采用設(shè)計院提供的天然地震波，地震持續(xù)時間60 s，設(shè)置3 000個時間步。

地震荷載加速度時程如圖2所示。

2 隔震支座選擇及布置

為達(dá)到隔震目的，需要通過在支座處設(shè)置隔震裝置，延長結(jié)構(gòu)自振周期從而減小地震作用。依據(jù)結(jié)構(gòu)在自重及荷載作用下底層支座軸力，選取隔震支座，將隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)頂面，布置隔震支座，并在X向和Y向設(shè)置阻尼器，以增加結(jié)構(gòu)初始剛度，限制水平位移。本文中選擇的全是鉛芯橡膠支座，其性能參數(shù)及數(shù)量如表1所示，布置如圖3所示。

表1 隔震支座的技術(shù)參數(shù)

3 SAP2000有限元分析結(jié)果

3.1 模態(tài)分析結(jié)果

對未布置隔震支座的結(jié)構(gòu)和布置隔震支座的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行模態(tài)分析，得到兩個模型的一階、二階和三階振動周期如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，在布置隔震支座后，結(jié)構(gòu)的振動周期明顯延長，成功避開了場地卓越周期，避免了共振的發(fā)生，從而有效地減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

表2 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)周期對比 s

3.2 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)時程分析的層間剪力對比分析

對隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)在相應(yīng)地震荷載作用下進(jìn)行時程分析，得到兩個結(jié)構(gòu)在Y向的層間剪力值如表3所示，其變化曲線如圖4所示。

表3 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g剪力對比 kN

由圖4可知，在布置隔震支座后，層間剪力顯著減小，隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著減小。

3.3 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)時程分析的層間位移和層間轉(zhuǎn)角對比分析

對隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)在相應(yīng)地震荷載作用下進(jìn)行時程分析，得到兩個結(jié)構(gòu)分別在X向和Y向的層間位移和轉(zhuǎn)角如表4和表5所示，相應(yīng)對比分析曲線如圖5和圖6所示。

表4 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移和轉(zhuǎn)角

位置層高/mX向非隔震結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)層間位移/m層間位移角層間位移/m層間位移角14.05.711×10-41.428×10-45.480×10-41.370×10-423.79.084×10-42.455×10-45.373×10-41.452×10-433.77.272×10-41.965×10-46.522×10-41.763×10-443.74.637×10-41.253×10-46.520×10-41.762×10-453.71.758×10-44.751×10-55.488×10-51.483×10-564.157.160×10-51.725×10-54.669×10-51.125×10-5

表5 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移和轉(zhuǎn)角

由層間位移及轉(zhuǎn)角的對比分析可知，隔震結(jié)構(gòu)的層間位移和層間轉(zhuǎn)角較非隔震結(jié)構(gòu)明顯減小，說明隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著減小，從而也可說明對于鉛芯橡膠支座，在支座布置合理的情況下，可以有效地起到隔震作用。

4 結(jié)語

本文對一個鋼筋混凝土多層框架教學(xué)樓結(jié)構(gòu)布置了隔震支座，并用有限元軟件SAP2000對非隔震和隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)和時程分析。從分析結(jié)果可知，在合理布置隔震支座后，結(jié)構(gòu)的振動周期明顯增大，層間剪力、位移和轉(zhuǎn)角明顯減小，說明布置隔震支座后使得結(jié)構(gòu)避開了場地卓越周期，避免了結(jié)構(gòu)共振的發(fā)生，有效地減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。本文中選用的是鉛芯橡膠支座，從隔震效果可以看出，鉛芯橡膠支座對于結(jié)構(gòu)具有很好的隔震效果。

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

[2] 李國強，李 杰.地震工程學(xué)導(dǎo)論[M].北京:地震出版社,1992:1-348.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 黨 育，杜永峰，李 慧.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工指南[M].北京:中國水利水電出版社，知識產(chǎn)權(quán)出版社,2007:1-258.

[5] 龔 健，周 云，鄧雪松.某摩擦擺隔震框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析[J].土木工程學(xué)報,2012,45(S2):146-150.

The earthquake isolation analysis of multi-story frame teaching building based on SAP2000

Yuan Ye

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the teaching building engineering with steel reinforced concrete multi-layer framwork structure as an example, the mode and time-history analysis were carried out for isolated and non-isolated structures based on SAP2000. Through the comparative analysis about the results of the two structures, the results show that: when the structure was arranged isolation bearings, the structure natural vibration periods was effectively extended, the interlayer shear force and displacement were decreased.

frame structure, isolated structure, lead rubber bearing, time-history analysis

1009-6825(2016)24-0031-02

2016-06-13

袁 野(1989- )，男，在讀碩士

TU352

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