某多層框架結(jié)構(gòu)隔震分析

孫永

摘 要：本文以云南某養(yǎng)老院為例，采用基礎(chǔ)隔震措施，對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震控制分析。利用盈建科（YJK）建模的快捷方便性，結(jié)構(gòu)模型在YJK中建立，并通過YJK軟件自帶接口進(jìn)行YJK—ETABS模型轉(zhuǎn)換。利用快速非線性分析FNA方法，分別對(duì)非隔震與隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震下的非線性振型積分法分析，結(jié)果表明：隔震支座通過水平變形能夠有效地耗散地震力，且延長(zhǎng)建筑結(jié)構(gòu)基本周期，增加整體結(jié)構(gòu)阻尼，大大避開場(chǎng)地特征周期，對(duì)地震波中的高頻能量起到明顯地過濾效果。使結(jié)構(gòu)體系改變成柔性體系，隔震思路從傳統(tǒng)硬抗震到軟隔震的轉(zhuǎn)變，從而很大程度地隔離地震能量傳遞到上部結(jié)構(gòu)，減小結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，達(dá)到隔震控制的目的。采用隔震裝置后的上部結(jié)構(gòu)隔震效果顯著，滿足結(jié)構(gòu)抗震需求。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)隔震;FNA方法;ETABS

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.065

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)達(dá)到高潮期，建筑結(jié)構(gòu)大致呈現(xiàn)出幾個(gè)特點(diǎn)，建筑大規(guī)模、大面積、大數(shù)量、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)大化、高聳化，以及復(fù)雜化?，F(xiàn)在面臨一個(gè)問題，多數(shù)大中型城市的復(fù)雜建筑還未經(jīng)受大地震考驗(yàn)，且我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)國(guó)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有很多緊靠或跨越地震斷層，仍有大量不滿足抗震要求的新舊建筑。在以往地震災(zāi)害中，布置隔震裝置后的建筑結(jié)構(gòu)，往往發(fā)生破壞的概率比較低，即更為安全可靠，隔震效果明顯，具有良好的隔絕地震優(yōu)勢(shì)。

隔震技術(shù)屬于典型的被動(dòng)控制技術(shù)，自上世紀(jì)60年代誕生以來，各國(guó)學(xué)者對(duì)此展開深入研究，使其應(yīng)用也越來越廣泛，目前隔震技術(shù)已趨于成熟。我國(guó)于上世紀(jì)80年代引進(jìn)，1996年，唐家祥以實(shí)際隔震工程為背景，闡述了基礎(chǔ)隔震的設(shè)計(jì)方法與原則，并對(duì)比同期修建的非隔震工程決算費(fèi)用，研究表明采用隔震措施可節(jié)約工程總造價(jià)10%。2001年，我國(guó)將隔震技術(shù)寫入抗震規(guī)范中，提出減震系數(shù)概念，并在實(shí)際工程中大力推廣使用，2004年，祁皚等推導(dǎo)了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在不同工況下高寬比限值。2009年，于旭通過研究表明，在軟土地基上考慮土結(jié)構(gòu)相互作用，會(huì)進(jìn)一步提升隔震效果。2013年，周云以蘆山縣人民醫(yī)院門診綜合樓實(shí)際隔震效果為依據(jù)，提出2010版《抗規(guī)》中的隔震指導(dǎo)方法是有效合理的。近些年，我國(guó)也在大力推廣隔震建筑，本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)云南某養(yǎng)老院進(jìn)行隔震分析。

1 隔震設(shè)計(jì)流程

（1）初步確定隔震設(shè)防目標(biāo)，通常采取設(shè)防烈度降低一度，以隔震層為分界，分為下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)，隔震層三部分。

（2）模型轉(zhuǎn)換，將YJK模型或者PKPM模型轉(zhuǎn)換成ETABS模型，并進(jìn)行模型對(duì)比，對(duì)比其質(zhì)量，周期，以及樓層剪力，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠砜尚行浴?/p>

（3）建立ETABS隔震模型，在重力荷載代表值下，通過有鉛芯以及無鉛芯橡膠隔震支座的合理搭配布置，得到設(shè)防地震下的隔震模型。

（4）計(jì)算水平減震系數(shù)，選取7條地震波，分別對(duì)中震非隔震模型以及中震隔震模型進(jìn)行彈性時(shí)程分析和FNA時(shí)程分析。計(jì)算樓層隔震前后的剪力與傾覆彎矩比值，最后取隔震層以上二者的最大比值為減震系數(shù)。

（5）通過水平減震系數(shù)，判斷是否滿足設(shè)防目標(biāo)。

（6）隔震支座驗(yàn)算，驗(yàn)算隔震支座的拉，壓應(yīng)力，以及位移指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求，并利用得到的支座反力進(jìn)行支墩配筋。

2 工程概況

本工程為多層框架結(jié)構(gòu)養(yǎng)老院，總共7層，其中，地上六層，地下一層地下室（隔震層）層高4.2米，首層層高5.4米，其余層高均為3.6米，建筑高度：23.70m。

設(shè)防烈度八度0.3g，地震分組為第三組，設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），建筑場(chǎng)地類別：III類，特征周期為0.65s，抗震不利地段。其結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

3 支座布置

采取基礎(chǔ)隔震方法，將地下室作為隔震層，考慮到近場(chǎng)放大效應(yīng)，從經(jīng)濟(jì)性，合理性，可行性3方面考慮，經(jīng)反復(fù)試算，采用鉛芯橡膠支座LRB1000，LRB900和天然橡膠支座LNR900共3種類型支座，其支座布置圖如圖2所示。其中，在布置主要遵循以下原則：

（1）《抗規(guī)》規(guī)定，在重力荷載代表值下的隔震墊子壓應(yīng)力值宜均勻，且不應(yīng)超過乙類建筑的限值12Mpa。

（2）罕遇狀態(tài)下，隔震墊子不宜出現(xiàn)受拉狀態(tài)，不可避免時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其拉應(yīng)力，使其小于限值1.0MPa，從而控制隔震支座不會(huì)因受拉而破壞。

（3）在罕遇狀態(tài)下，隔震支座的水平位移不宜過大而超過限值，限值取min（0.55D，3Tr），D：最小隔震墊子，Tr：橡膠層總厚度）。

4 隔震分析

4.1 隔震前后結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比

對(duì)比隔震前后建筑結(jié)構(gòu)周期，通過表1可以發(fā)現(xiàn)，隔震支座顯著放大整體結(jié)構(gòu)周期而變成柔性體系，其中，第一周期從1.0311s，延伸到2.6081s，放大2.53倍，有效避開了場(chǎng)地特征周期0.65s，從而抑制上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，隔絕部分地震能量。

4.2 多遇地震下隔震分析

選取2組人工波以及5組實(shí)際地震記錄，通過ETABS軟件，對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性模態(tài)時(shí)程分析，并對(duì)比基底剪力。其中，規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線和7條時(shí)程波反應(yīng)譜及其平均值的對(duì)比見圖3。

4.3 設(shè)防地震作用下隔震分析

設(shè)防地震下，主要計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)隔震前后剪力之比，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)還需計(jì)算傾覆彎矩之比。選取除隔震層外的最大比值為最終水平向減震系數(shù)，考慮到近場(chǎng)放大影響，根據(jù)公式可得建筑結(jié)構(gòu)的水平地震作用影響系數(shù)為1.5×0.24×0.26/0.85=0.110。綜合考慮，結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)取0.12，滿足設(shè)防烈度降一度的要求。

4.4 罕遇地震下隔震分析

計(jì)算結(jié)果顯示，罕遇狀態(tài)下隔震支座兩個(gè)方向（X，Y）最不利水平位移為480mm，小于本工程隔震墊子的水平位移限值495mm，且具有一定的安全儲(chǔ)備空間，確保隔震裝置隔絕耗散大部分地震能量，達(dá)到預(yù)期隔震目標(biāo)。

隔震支座在罕遇狀態(tài)下，部分邊支座產(chǎn)生受拉，最大拉應(yīng)力值為0.33MPa<1MPa。最大壓應(yīng)力為13.39MPa<30MPa，即拉壓應(yīng)力均達(dá)到規(guī)范規(guī)定，表明大直徑隔震墊子不會(huì)出現(xiàn)因受拉過大而導(dǎo)致隔震性能受損的影響。

5 結(jié)論

本文闡述了隔震分析基本流程與步驟，為多層框架結(jié)構(gòu)的隔震提供一些經(jīng)驗(yàn)性的指導(dǎo)。通過算例可得：（1）采用隔震技術(shù)后，隔震支座延長(zhǎng)放大結(jié)構(gòu)基本周期，有效避開地震波中高頻部分，削弱隔絕地震作用，從而降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)。構(gòu)件截面減小，增大建筑使用空間，節(jié)約工程總造價(jià)。（2）隔震裝置通過變形耗散地震能量，隔離地震傳遞，上部主體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)以平動(dòng)為主。

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