范夕森,趙玉鵬,李玉琳,孫文龍
(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 濟(jì)南250101;2.山東青年政治學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)院,山東濟(jì)南250101;3.山東山青物業(yè)管理研究院,山東濟(jì)南250101;4.山東衡泰工程咨詢(xún)有限公司,山東 萊蕪271100)
形狀不規(guī)則的建筑物在地震作用下極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)破壞,如1976年唐山大地震時(shí),位于天津市的一幢平面L型的建筑產(chǎn)生了強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)反應(yīng),底層的角柱開(kāi)裂嚴(yán)重,樓板產(chǎn)生了較大的裂縫,整個(gè)結(jié)構(gòu)瀕臨倒塌;1999年臺(tái)灣集集地震中,平面呈L型的臺(tái)中市新高山莊發(fā)生了嚴(yán)重的局部倒塌[1],云林縣的漢計(jì)大樓因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛度分布不均勻,底層入口處柱子折斷而整體倒塌[2];美國(guó)阿拉斯加地震中,安克拉治的Penny大樓因?yàn)榧袅Σ贾貌粚?duì)稱(chēng)發(fā)生了嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)破壞,部分梁柱斷裂,樓板墜落,樓層倒塌。
地震作用產(chǎn)生的扭矩是結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞的直接原因。地震時(shí),樓層的水平地震作用合力穿過(guò)其質(zhì)量中心,而抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)的地震剪力的合力中心為剛度中心。平面形狀不規(guī)則的建筑,剛度中心和質(zhì)量中心往往不重合,存在較大的偏心距,地震作用產(chǎn)生的扭矩就是水平地震作用與偏心距的乘積。所以,控制由地震產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可以從2個(gè)方面入手:(1)減小地震作用;(2)減小偏心距。采用基礎(chǔ)隔震技術(shù),上部結(jié)構(gòu)樓層地震剪力的減小是顯而易見(jiàn)的,而且基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震作用引起的扭轉(zhuǎn)主要取決于上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與隔震層剛度中心的偏心,而上部結(jié)構(gòu)本身的偏心影響是比較小的[3]。
國(guó)內(nèi)外對(duì)隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究表明,與非隔震結(jié)構(gòu)相比,隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯降低[4-11];無(wú)論隔震層采用橡膠支座、滑移支座還是二者并聯(lián)的組合支座,上部結(jié)構(gòu)單軸偏心還是雙軸偏心,單向輸入還是雙向輸入,上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)總是隨著隔震層偏心率的增大而增大,隔震層的剛度中心與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心重合時(shí),上部結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)明顯降低[12-13]。因此,如果通過(guò)隔震層的合理布置,使上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與隔震層的剛度中心的偏心距減小,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可以得到有效控制。文章采用橡膠支座加滑板支座的組合隔震體系,通過(guò)調(diào)整支座布置方式,盡可能減小上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與隔震層剛度中心的偏心距,從而使不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到了有效控制。
平面形狀不規(guī)則的建筑物,確定樓層的質(zhì)量中心時(shí),可以劃分為若干個(gè)規(guī)則的質(zhì)量單元進(jìn)行求解;確定樓層的剛度中心時(shí),通常把抗側(cè)力構(gòu)件的抗側(cè)剛度看作假想面積,而假想面積的形心即為剛度中心。如果忽略地震動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)分量(只考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和剛度中心的偏心引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)),假定樓層平面內(nèi)剛度無(wú)窮大,那么,以樓層的質(zhì)量中心MC(0,0)為坐標(biāo)原點(diǎn),建立平面坐標(biāo)系,剛度中心KC的坐標(biāo)值(ex,ey)即為樓層的偏心距,如圖1所示[14]。其中,Vx、Vy分別為沿 x、y樓層地震剪力,kN;T為樓層由地震剪力帶來(lái)的扭矩,kN·m。
圖1 結(jié)構(gòu)樓層的偏心距示意圖
式中:Kθ為樓層平面的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,kN·m/rad;kix、kiy分別為第i個(gè)抗側(cè)力構(gòu)件沿x和y方向的水平剛度,kN/m;xi、yi分別為第i個(gè)抗側(cè)力構(gòu)件的質(zhì)量中心坐標(biāo)值。
結(jié)構(gòu)層的剛度中心坐標(biāo)為(ex,ey),ex、ey分別由式(2)、(3)表示為
結(jié)構(gòu)層的扭轉(zhuǎn)剛度由式(1)表示為
式中:ex、ey為上部結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心的偏心距,m;Kx、Ky分別為樓層平面沿 x、y方向的水平剛度,kN/m;xi、yi分別表示第 i個(gè)抗側(cè)力構(gòu)件的質(zhì)量中心的偏心距,m。
上部結(jié)構(gòu)的樓層質(zhì)量都近似集中到各層樓板,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為層間剪切模型。結(jié)構(gòu)層承擔(dān)的扭矩等于計(jì)算層以上各層地震作用對(duì)計(jì)算層剛度中心所產(chǎn)生的扭矩之和,由式(4)表示為
式中:Tj為第 j層結(jié)構(gòu)承擔(dān)的扭矩,kN·m;vjx、vjy分別為作用在第j層質(zhì)量中心上的地震剪力在x和y方向上的分量,kN;exj、eyj分別為第 j層以上樓層質(zhì)量中心與第j層剛度中心的偏心距,m。
樓層的扭轉(zhuǎn)角位移角等于扭矩與此層轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的比值,由式(5)表示為
式中:θj為第 j層的扭轉(zhuǎn)角,rad;Tj為第 j層結(jié)構(gòu)承擔(dān)的扭矩,kN·m。
對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu),隔震層的偏心距由式(6)、(7)表示為
式中:ebx、eby分別為隔震層的偏心坐標(biāo),m;Kib為第i個(gè)隔震支座的水平剛度,kN/m;Kbx、Kby分別為隔震層在x、y方向的總水平剛度,kN/m。
上部結(jié)構(gòu)第j層承擔(dān)的扭矩Tj按式(4)計(jì)算,隔震層承擔(dān)的扭矩Tb為上部各層地震作用對(duì)隔震層剛度中心所產(chǎn)生的扭矩之和,由式(8)表示為
式中:ebxj、ebyj分別為計(jì)算層以上樓層的質(zhì)量中心與第j層剛度中心的偏心距,m。
采用基礎(chǔ)隔震技術(shù),上部結(jié)構(gòu)各層的地震作用都會(huì)明顯降低。減小偏心距,即減小上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和隔震層剛度中心的偏差。上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心取值是隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置和使用荷載確定的,而隔震層的剛度中心則可以通過(guò)布置隔震支座來(lái)調(diào)整位置。按照豎向應(yīng)力的要求均勻布置隔震支座時(shí),隔震層剛度中心往往與上部結(jié)構(gòu)基本一致,而平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu),剛度中心和質(zhì)量中心會(huì)存在一定的偏心距。由于不同類(lèi)型的隔震支座側(cè)向剛度有所不同,所以調(diào)整支座的布置方式,剛度中心可以隨之調(diào)整,當(dāng)隔震層剛度中心與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心基本重合時(shí),就能夠較好地控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
一個(gè)平面為L(zhǎng)型的5層框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)平面如圖2所示,柱截面為500 mm×500 mm,梁截面為250 mm×500mm,板厚為120mm,層高為3.6m,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30?;A(chǔ)隔震考慮3個(gè)方案,如圖3所示:方案一是34個(gè)柱下全部采用GZY500鉛芯橡膠支座;方案二和方案三均采用24個(gè)鉛芯橡膠支座和10個(gè)滑板支座,但兩者布置方式不同。GZY500鉛芯橡膠支座的豎向剛度為1726 kN/mm,相應(yīng)于50%應(yīng)變的等效水平剛度為1.52 kN/mm,等效阻尼比為0.29,相應(yīng)于250%應(yīng)變的等效水平剛度為1.09 kN/mm,等效阻尼比為 0.14;聚四氟乙烯滑板隔震支座的豎向剛度為1378 kN/mm,設(shè)計(jì)承載力為432 kN,摩擦系數(shù)為0.08。上部結(jié)構(gòu)和隔震層的偏心率見(jiàn)表1。
圖2 結(jié)構(gòu)的有限元模型示意圖
圖3 隔震布置方案圖
表1 各種隔震方案對(duì)應(yīng)的偏心率
由表1可以看出,均勻布置同一類(lèi)型的橡膠支座,隔震層偏心率與上部結(jié)構(gòu)一致,將中間柱列的部分橡膠支座改為滑板支座,可以使偏心率降低,而調(diào)整滑板支座的布置位置,可以獲得更小的偏心率。
比較規(guī)則的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu),地震反應(yīng)的計(jì)算可以采用振型分解反應(yīng)譜法,隔震層要簡(jiǎn)化為單獨(dú)的樓層,與上部結(jié)構(gòu)一起組成多質(zhì)點(diǎn)體系。隔震層的力學(xué)模型是雙線(xiàn)型模型[15-17],剛度和阻尼取所有隔震支座的有效剛度和等效阻尼之和。形狀不規(guī)則的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu),要考慮平扭藕和效應(yīng),地震反應(yīng)的計(jì)算宜采用時(shí)程分析法,可以利用SAP2000、ETABS等結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)進(jìn)行。
結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大小不僅取決于輸入的地震波幅值,而且與頻譜特性密切相關(guān)。所以輸入地震波時(shí)不僅要按照結(jié)構(gòu)物所在地區(qū)設(shè)防烈度調(diào)整幅值,更要選擇與場(chǎng)地條件相適應(yīng)的地震波。結(jié)構(gòu)隔震前后的分析結(jié)果都要滿(mǎn)足與振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的比較。
結(jié)構(gòu)減震控制效果主要通過(guò)樓層加速度、樓層地震剪力和層間位移等地震反應(yīng)的對(duì)比來(lái)衡量。如選取各樓層質(zhì)量中心點(diǎn)的絕對(duì)加速度,分析結(jié)構(gòu)對(duì)輸入地震動(dòng)的放大效應(yīng);選中每一層的框架柱頂?shù)慕孛婕袅Ψ治?,可以查取樓層的剪力最大值;由于剛度中心處沒(méi)有扭轉(zhuǎn)分量,選擇剛度中心處的層間位移角來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的層間位移;對(duì)于形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu),地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)果,選擇距離剛度中心最遠(yuǎn)的角柱,以層間扭轉(zhuǎn)角衡量結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
算例結(jié)構(gòu)在SAP2000中建模,上部結(jié)構(gòu)的梁柱可以采用框架單元模擬,樓層板采用薄殼單元模擬,橡膠隔震支座用連接單元中的“Rubber Isolator”非線(xiàn)性連接件來(lái)模擬,滑板支座用“Friction Isolator”連接件模擬,但要將摩滑移面的弧度設(shè)為0。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,3種隔震方案連同非隔震結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果見(jiàn)表 2,其中,ux、uy、uz分別為沿 x、y、z方向的平動(dòng)振型質(zhì)量參與系數(shù);rx、ry、rz分別為沿 x、y、z方向的扭轉(zhuǎn)振型質(zhì)量參與系數(shù)。
表2 模態(tài)分析結(jié)果
由表2可以看出,隔震后結(jié)構(gòu)的基本周期由非隔震的0.87 s延長(zhǎng)至2.45 s,非隔震結(jié)構(gòu)第一振型以x向平動(dòng)振型為主,但是存在比較強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)屬性;隔震方案一和方案二的第一振型也有比較明顯的平扭耦聯(lián)效應(yīng);隔震方案三的第一振型為x向平動(dòng)振型,扭轉(zhuǎn)分量降至很小。
建筑物所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組為第二組。輸入相應(yīng)于7度多遇地震的EL-centro波、Taft波和人工波,計(jì)算3種隔震結(jié)構(gòu)以及非隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),上部結(jié)構(gòu)頂層沿y向加速度峰值對(duì)比如圖4所示。
由圖4可以看出,非隔震結(jié)構(gòu),樓層加速度峰值自下而上逐漸增大,隔震結(jié)構(gòu)則趨于平緩,且比非隔震結(jié)構(gòu)明顯減??;方案二和方案三加速度峰值基本一致,均比方案一小。
相應(yīng)于7度多遇地震的3條波作用下,上部結(jié)構(gòu)各層x、y方向地震剪力包絡(luò)值見(jiàn)表3,各樓層地震剪力值對(duì)比如圖5所示。
圖4 多遇地震下各層y方向加速度峰值曲線(xiàn)圖
表3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間剪力包絡(luò)值/kN
由表3和圖5可以看出,隔震方案一的結(jié)構(gòu)樓層地震剪力比非隔震結(jié)構(gòu)減小60%以上,方案二和方案三減小70%以上,而且兩者的震層剛度和阻尼相同,對(duì)上部結(jié)構(gòu)的隔震作用也基本相同。
基礎(chǔ)隔震建筑的減震效果通常用水平向減震系數(shù)來(lái)衡量,即多遇地震作用下,隔震結(jié)構(gòu)與非隔震各樓層層間剪力比的最大值。由表3可以看出,方案一的減震系數(shù)為0.40,方案二和方案三的減震系數(shù)為 0.27。
輸入相應(yīng)于7度罕遇地震的EL-centro波、Taft波和人工波,結(jié)算結(jié)構(gòu)的層間位移,計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖6所示。
由圖6可以看出,罕遇地震下,非隔震結(jié)構(gòu)的各層層間位移各不相同,最大值出現(xiàn)在第二層;隔震結(jié)構(gòu)的位移主要集中于隔震層,上部結(jié)構(gòu)層間位移比非隔震結(jié)構(gòu)減小約為50%,而且上下均勻,基本趨于平動(dòng)。方案一的隔震層位移為33 mm,方案二和方案三的隔震層位移均為36 mm,小于隔震支座最大水平位移限值的220 mm。
圖5 多遇地震下各層y方向地震剪力曲線(xiàn)圖
圖6 罕遇地震下各層層間位移曲線(xiàn)圖
結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)體現(xiàn)在各層樓層扭轉(zhuǎn)角上。相應(yīng)于7度多遇地震和罕遇地震的EL-centro波、Taft波以及人工波作用下,結(jié)構(gòu)層間扭轉(zhuǎn)角包絡(luò)值,見(jiàn)表4。
表4 結(jié)構(gòu)各層的層間扭轉(zhuǎn)角包絡(luò)值/(×10-5 rad)
圖7給出了地震波作用下各結(jié)構(gòu)方案樓層扭轉(zhuǎn)角的對(duì)比,由圖7和表4可以看出,輸入地震波,非隔震結(jié)構(gòu)的層間扭轉(zhuǎn)角各層差異較大,最大值出現(xiàn)在第二層;隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角最大值在隔震層,上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非隔震結(jié)構(gòu),而且上下趨于均勻;隔震方案一和方案二上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移角比非隔震結(jié)構(gòu)減小50%和65%,但隔震層扭轉(zhuǎn)位移角較大;隔震方案三上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移角比非隔震結(jié)構(gòu)的位移角減小85%,而且隔震層位移角也大幅度降低。
以層間扭轉(zhuǎn)角最大的第二層為例,分析偏心率與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制的關(guān)系,如圖8所示。雖然隔震方案一和非隔震結(jié)構(gòu)偏心率相同,但隔震方案的樓層扭轉(zhuǎn)角直線(xiàn)下降,方案二和方案三偏心率越來(lái)越小,樓層扭轉(zhuǎn)角也相應(yīng)減小。
圖7 結(jié)構(gòu)樓層扭轉(zhuǎn)角對(duì)比圖
圖8 扭轉(zhuǎn)角與偏心率的關(guān)系圖
文章主要針對(duì)不規(guī)則的結(jié)構(gòu),通過(guò)采用基礎(chǔ)隔震技術(shù),既可以減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用,又能調(diào)整上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和隔震層剛度中心的偏心距,使不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到有效控制。研究結(jié)果表明:
(1)隔震層采用鉛芯橡膠支座,減震系數(shù)約為0.40;總數(shù)量相同的橡膠支座和滑板支座組合,減震系數(shù)可以達(dá)到0.30以下,組合體系比全部采用橡膠支座減震效果更優(yōu)。
(2)隔震建筑上部結(jié)構(gòu)的樓層扭轉(zhuǎn)角隨著偏心率的降低而減小,同非隔震結(jié)構(gòu)相比,偏心率由0.1調(diào)整到0.01時(shí),樓層扭轉(zhuǎn)角可以由50%減小至15%。
(3)在減震系數(shù)類(lèi)似的條件下,改變支座的布置位置,可以有效地調(diào)節(jié)隔震層剛度中心,由此控制上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與隔震層剛度中心的偏心率,使整個(gè)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到有效控制。
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