層間隔震框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

王德偉，常彥錚

(陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710048)

1 層間隔震技術(shù)簡(jiǎn)介

層間隔震技術(shù)是一種新型隔震技術(shù)。它主要是將隔震裝置放置在某層柱子和樓板之間從而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地震影響進(jìn)行控制。為了了解框架結(jié)構(gòu)的層間隔震效果，本文以12層的框架結(jié)構(gòu)為例，將隔震層設(shè)置在豎向剛度和質(zhì)量突變的二層柱頂和三層柱底之間，利用通用ANSYS有限元軟件建立抗震結(jié)構(gòu)和層間隔震結(jié)構(gòu)并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，比較層間隔震與非隔震結(jié)構(gòu)體系的減震效果，為該類(lèi)結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

2 有限元模型的建立

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并對(duì)其加以適當(dāng)簡(jiǎn)化，利用ANSYS有限元軟件建立其抗震結(jié)構(gòu)和層間隔震結(jié)構(gòu)兩種三維有限元模型。鋼筋混凝土的彈性模量取值按混凝土的彈性模量選取，材料參數(shù)見(jiàn)表1所示。對(duì)于結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件均采用Beam188單元來(lái)模擬;模型在加層間隔震支座時(shí)，將二層所有的柱子在頂部都斷開(kāi)，隔震裝置放置在柱頂與上層樓板之間。隔震裝置豎向剛度的模擬采用combin14單元，在兩個(gè)水平方向采用combin40單元，一個(gè)隔震支座就有三個(gè)單元組成，分別為 combin40(X方向)、combin40(Y方向)、combin14(Z方向)。本文采用GZY600型鉛芯橡膠，其參數(shù)見(jiàn)表2所示。在A(yíng)NSYS有限元分析程序中建立的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)三維有限元模型

表1 材料計(jì)算參數(shù)表

表2 GZY600型鉛芯橡膠隔震支座參數(shù)

3 模態(tài)分析

在上述兩種三維有限元模型中，利用ANSYS有限元軟件并采用Block Lanczos算法對(duì)其進(jìn)行求解，得出各種模型的前十五階頻率，見(jiàn)表3所示。圖2為結(jié)構(gòu)的自振頻率的變化趨勢(shì)。

從表3的結(jié)構(gòu)自振頻率可知，抗震框架結(jié)構(gòu)基本周期為1.6 276 s;層間隔震框架結(jié)構(gòu)基本周期為2.4 254 s。后者比前者延長(zhǎng)了0.7 978 s，幅度達(dá)到49.02%，說(shuō)明這兩種結(jié)構(gòu)基本周期差別是很明顯的。并且可知層間隔震框架結(jié)構(gòu)的周期大大增加，從而有效地增大了建筑物的基本周期，使結(jié)構(gòu)的基本周期遠(yuǎn)離建筑場(chǎng)地的卓越周期，從而避開(kāi)了地震的主要攜能頻帶，減輕了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

表3 結(jié)構(gòu)的自振頻率

圖2 結(jié)構(gòu)的自振頻率的變化趨勢(shì)

4 地震響應(yīng)分析

采用動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)研究，選擇蘭州波作為地震激勵(lì)。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和西安設(shè)防烈度要求，考慮罕遇地震情況，峰值為400 cm/s2，時(shí)間間隔為0.02 s，持時(shí)為20 s。對(duì)抗震框架結(jié)構(gòu)和層間隔震框架結(jié)構(gòu)輸入上述地震波進(jìn)行地震反應(yīng)分析，分別得到結(jié)構(gòu)層間位移幅值、加速度幅值及層間剪力，見(jiàn)表4、表5、表6及圖3～圖8。

表4 結(jié)構(gòu)各樓層層間位移幅值(cm)以及反應(yīng)比

表5 結(jié)構(gòu)各樓層層間加速度幅值(cm/s2)以及反應(yīng)比

表6 結(jié)構(gòu)各樓層層間剪力幅值(kN)以及反應(yīng)比

圖3 蘭州波x向的層間位移曲線(xiàn)圖

圖4 蘭州波y向的層間位移曲線(xiàn)圖

圖5 蘭州波x向的層間加速度曲線(xiàn)圖

圖6 蘭州波y向的層間加速度曲線(xiàn)圖

圖7 蘭州波x向的層間剪力曲線(xiàn)圖

圖8 蘭州波y向的層間剪力曲線(xiàn)圖

從上述表和曲線(xiàn)圖中可知，在罕遇地震作用下，層間隔震框架結(jié)構(gòu)除隔震層外其余各樓層層間位移比抗震框架結(jié)構(gòu)各樓層層間位移均減小，結(jié)構(gòu)位移變形主要集中在隔震層，從而減小了水平地震作用向上部建筑結(jié)構(gòu)的傳遞;抗震框架結(jié)構(gòu)與層間隔震框架結(jié)構(gòu)的位移幅值反應(yīng)比最大為18.261;且隔震層上部建筑結(jié)構(gòu)層間位移基本接近，作整體平動(dòng)，因此層間隔震框架結(jié)構(gòu)能有效地減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。在罕遇地震作用下，層間隔震結(jié)構(gòu)各樓層的相對(duì)加速度幅值均比抗震結(jié)構(gòu)相應(yīng)樓層加速度幅值減小，抗震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)加速度幅值反應(yīng)比最大為4.627;從抗震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力分析結(jié)果可知，抗震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)層間剪力幅值反應(yīng)比最大為17.063。表明結(jié)構(gòu)采用橡膠隔震支座進(jìn)行層間隔震能較好地降低結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)，具有良好的隔震效果。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)模態(tài)分析可知，層間隔震結(jié)構(gòu)相對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，層間隔震結(jié)構(gòu)的周期大大增加，有效地延長(zhǎng)了建筑物的基本周期，使結(jié)構(gòu)的基本周期遠(yuǎn)離建筑場(chǎng)地的卓越周期，減輕了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

(2)通過(guò)對(duì)抗震結(jié)構(gòu)和層間隔震結(jié)構(gòu)依次輸入x、y雙向蘭州波進(jìn)行地震反應(yīng)分析，得到在常遇和罕遇地震作用下，層間隔震結(jié)構(gòu)各樓層層間位移比抗震結(jié)構(gòu)各樓層層間位移均減小，變形主要集中在隔震層，且隔震層上部結(jié)構(gòu)基本作整體運(yùn)動(dòng)，所以層間隔震結(jié)構(gòu)能有效地減小結(jié)構(gòu)的地震位移反應(yīng)。

(3)層間隔震結(jié)構(gòu)各樓層的相對(duì)加速度幅值均比抗震結(jié)構(gòu)相應(yīng)樓層加速度幅值減小，層間隔震能較好地降低結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)，具有良好的隔震效果。

(4)從抗震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力分析對(duì)比可知，層間隔震結(jié)構(gòu)可以有效地減小結(jié)構(gòu)的各層間剪力。

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