毛俊卿 劉 鴻
青島愛博瑞隔振技術(shù)有限公司
隔震建筑的抗震性能及應(yīng)用前景分析
毛俊卿 劉 鴻
青島愛博瑞隔振技術(shù)有限公司
本文對隔震理論發(fā)展進行了闡述,對隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進行了有限元分析,得出了隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點,并闡述了其局限性和未來應(yīng)用前景。
抗震;隔震;橡膠支座;有限元
地震給人類的生產(chǎn)生活帶來巨大的災(zāi)難,如何減輕地震災(zāi)害是世界各國長期以來的重要課題。20世紀之前的建筑幾乎沒有進行專門的抗震設(shè)計,經(jīng)歷多次大地震之后,人們才開始意識到建筑抗震的重要性,抗震設(shè)計理論與實踐才開始得以發(fā)展。
早期的抗震思路著重于抵抗慣性力,使建筑物不致因強度不足而損壞,這種方法設(shè)計的建筑物,在地震中大部分出現(xiàn)不同程度的損壞、倒塌。人們重新意識到,抗震設(shè)計不是單純的抵抗地震力就可以解決問題了。抗震理論的第二階段著重于減小建筑物的地震反應(yīng)并增強結(jié)構(gòu)屈服后的承載及變形能力,即提高建筑的韌性,如我國抗震規(guī)范中提供的三水準、兩階段的設(shè)計方法。經(jīng)歷次地震檢驗,仍有大量的房屋在地震中損毀嚴重、倒塌,造成巨大損失。
08年汶川大地震的發(fā)生造成了生命財產(chǎn)的巨大損失,使國內(nèi)學(xué)者和設(shè)計界開始重新審視既有抗震設(shè)計方法的缺陷,探索并實踐新的抗震設(shè)計方法??拐鹪O(shè)計方法進入第三階段---隔震與消能減震設(shè)計。建筑隔震概念最早于1891由日本學(xué)者河合浩藏提出,其后陸續(xù)有學(xué)者提出其他的隔震模型。早期隔震概念雖然清晰,但是限于當(dāng)時的技術(shù)條件,并未得到很好的發(fā)展和實踐。隨著地震工程理論的逐步發(fā)展和大量實際地震數(shù)據(jù)的積累,人們開始著手研究并實踐隔震設(shè)計理論。
目前,較為成熟的建筑隔震技術(shù)包括:疊層橡膠支座隔震、摩擦擺隔震、混凝土短柱支座隔震等,其中疊層橡膠支座隔震技術(shù)應(yīng)用最為普遍。1974年世界首棟隔震建筑在新西蘭建成;1983年日本第一座疊層橡膠支座隔震建筑---東京八千代臺住宅建成,我國1993年在汕頭建成首幢橡膠墊隔震建筑。
為了探究隔震建筑在地震作用下的反應(yīng)特點,使用SAP2000計算程序建立了兩個有限元結(jié)構(gòu)模型(模型A為隔震方案,模型B為普通方案),采用相同的分析方法進行計算并對結(jié)果進行分析。
模型A為隔震方案,模型B為普通方案,兩個模型的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件尺寸、配筋情況均相同,共兩層,層高均為3m,X向3跨,Y向2跨,柱跨均為6mX6m,框架柱尺寸為450mmX450mm,縱筋8根18mm,箍筋8@100/200,,梁尺寸為300mmX600mm,上下縱筋配筋分別為4根18 mm和3根18 mm,箍筋8@100/200,均為HRB400。采用時程分析方法進行分析,地震波選用CORRALIT波,X向修正后加速度峰值為247gal(略大于抗震規(guī)范中8度設(shè)防地表加速度)。(如圖所示)
模型A隔震支座采用Rubber Isolator連接單元進行模擬,水平兩個方向剛度均為1000KN/m,采用直接積分法進行計算。計算完成后,選擇頂部節(jié)點生成加速度時程曲線和隔震支座節(jié)點生成位移時程曲線,并查看基底剪力。結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)如下:結(jié)構(gòu)頂點最大加速度反應(yīng)為37.1gal,與地面加速度峰值比值為0.15,支座水平位移最大值為10.2cm,基底X向剪力最大值為138KN。
模型B為非隔震設(shè)計。為便于對比分析,同模型A一樣采用非線性時程分析法進行計算。計算完成后,選擇頂部節(jié)點生成加速度時程曲線和隔震支座節(jié)點生成位移時程曲線,并查看基底剪力。結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)如下:結(jié)構(gòu)頂點最大加速度反應(yīng)為257.9gal,與地面加速度峰值比值為1.044。查看框架變形圖:顯示在0.85s時,基底X向剪力最大值為577KN,此時31號梁中間支座已經(jīng)出現(xiàn)塑性鉸,到0.85s時,另一端也出現(xiàn)塑性鉸。兩個模型的結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)詳下表:
表A地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)峰值
由表A可知,在地震作用下,隔震結(jié)構(gòu)的加速度及絕對慣性力較非隔震結(jié)構(gòu)大幅降低,非隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力為隔震結(jié)構(gòu)的4.232倍,這也可以解釋為何隔震結(jié)構(gòu)在強震作用下沒有出現(xiàn)任何損傷。既有案例表明,某些烈度較小的場地內(nèi),隔震建筑物內(nèi)的居民甚至感受不到地震發(fā)生。值得注意的是,隔震結(jié)構(gòu)中其橡膠支座的水平位移非常大(本例達到10.2cm),對支座水平剪切變形性能要求非常高。
盡管隔震建筑在抗震性能方面有較大優(yōu)勢,但在國內(nèi)并未得到很好的推廣應(yīng)用,其主要問題在于以下兩方面:一是需要專門設(shè)置一層隔震層,既增加了造價,又影響建筑方案效果。二是隔震支座在高層建筑及低烈度區(qū)中其應(yīng)用效果不明顯,而目前住宅項目又以高層板式住宅居多。因此,目前隔震建筑多應(yīng)用于高烈度區(qū)的學(xué)校、醫(yī)院等公建,在大規(guī)模的住宅項目中難以推廣應(yīng)用。
目前我國建筑業(yè)正在大力推行產(chǎn)業(yè)化模式,鑒于裝配式結(jié)構(gòu)(尤其是混凝土結(jié)構(gòu))抗震性能一般來說較差,且目前國內(nèi)的建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平較發(fā)達國家仍有一定差距,筆者認為可以通過設(shè)置隔震支座來改善這類結(jié)構(gòu)的抗震性能,這對于減輕未來可能發(fā)生地震災(zāi)害是有益的。