基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)能量反應(yīng)分析*

郝潤霞，段案清

(內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

隨著房屋建筑科學技術(shù)的進步，人們對住宅性能要求的提高，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足我們的需求，隔震結(jié)構(gòu)作為建造房屋的黑科技，正在一步一步走向大眾的視野.結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震體系一反從前的傳統(tǒng)抗震體系，他是在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置一個可以產(chǎn)生變形的隔震層，隔震層集中消耗了地震所帶來的大量能量.從而有效阻止能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，使整個體系穩(wěn)定不破壞[1-4].隨著基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)技術(shù)的完善，國內(nèi)外學者在這方面的研究也逐漸在加深.王建強等[5]對進行基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的摩擦擺支座進行研究，發(fā)現(xiàn)當基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)考慮雙向地震即XY向和地震的設(shè)防烈度以及隔震支座的摩擦系數(shù)時對結(jié)構(gòu)具有較大影響.王雪鵬等[6]研究了關(guān)于基礎(chǔ)隔震的隔震效應(yīng)，同時也研究了層間的隔震效果，發(fā)現(xiàn)了二者不同的變化規(guī)律.

使用有限元軟件Etabs通過研究場地類別及支座不同布置方式對地震的總輸入能的影響，采用鉛芯橡膠支座及傳統(tǒng)的天然橡膠支座鋪設(shè)隔震層，研究了場地類別及支座布置方式對地震動輸入能量的影響，為這2種支座以后在實際工程的運用提供了一定的參考依據(jù).

1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)能量方程

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的作用，在本質(zhì)上就是地震能量傳遞、轉(zhuǎn)化及消散的過程.引入基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)方程.從能量的角度對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隔震層、上部結(jié)構(gòu)的耗能能力進行討論.

組合基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)運動方程為：

(1)

組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的能量反應(yīng)方程，可簡記為：

Ev+Ec+ES+Ed=Ei.

(2)

式中：Ev是其動能，Ec是其粘滯阻尼耗能，ES是其變形耗能，Ed是其隔震層耗能，Ei是其總能量.

式中：RS是其變形耗能比.

通過上面的隔震結(jié)構(gòu)能量方程不難發(fā)現(xiàn)影響隔震結(jié)構(gòu)能量反應(yīng)的因素.結(jié)構(gòu)動能Ev為非直接耗散能量，在地震作用終止時結(jié)構(gòu)的動能也隨之降為0.

結(jié)構(gòu)阻尼耗能Ec在強震作用下，隔震裝置率先進入非彈性的狀態(tài)，大量地吸收或隔離地震的能量，使上部結(jié)構(gòu)做近似剛體的水平運動，上部結(jié)構(gòu)基本保持為彈性狀態(tài)，因為隔震層吸收了大量的能量.結(jié)構(gòu)變形耗能，是衡量隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果重要指標.Ed隔震系統(tǒng)耗能為隔震結(jié)構(gòu)的主要耗能方式.

2 結(jié)構(gòu)概況

工程以內(nèi)蒙古包頭市薩拉齊一所中學為背景，屬自擬工程.結(jié)構(gòu)的模型如圖1所示，上部的結(jié)構(gòu)是1個4層的矩形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，混凝土標號為C35，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)標準層的高度為3.9 m，首層的高度為4.2 m.不考慮風荷載及雪荷載的影響.結(jié)構(gòu)的抗震等級為二級，設(shè)計地震的分組為第二組，抗震設(shè)防的烈度為8度，各布置方案組成的隔震系統(tǒng)自振周期見表1.

隔震支座的布置方式在支座分布上總共有4種，第一隔震層單一布置其中1種支座；第二隔震層布置2種支座，2種支座在分布上呈現(xiàn)分散布置；第三隔震層布置2種支座，2種支座在分布上呈現(xiàn)集中布置；第四隔震層布置2種支座，其中1種支座分散分布在四周，另1種支座集中分布在中間.

所以根據(jù)上述分析，選擇5種最具有代表性的隔震層布置方式，如圖2～6所示.其中圖2基礎(chǔ)隔震布置方案一為各柱下布置天然橡膠支座的形式；圖3基礎(chǔ)隔震布置方案二為各柱下布置鉛芯橡膠支座的布置形式；圖4基礎(chǔ)隔震布置方案三為中間布置天然橡膠支座，四周布置鉛芯橡膠支座的布置形式；圖5基礎(chǔ)隔震布置方案四鉛芯橡膠支座及天然橡膠支座的分散布置；圖6基礎(chǔ)隔震布置方案五為鉛芯橡膠支座及天然橡膠支座的集中布置.每類場地條件下取5組地震波，其中天然波使用Seismo Signal軟件合理選擇3條，人工波使用人工地震波合成器根據(jù)場地特征周期以及地震波持續(xù)時長合理擬合2條.設(shè)防烈度按照八度罕遇地震下進行考慮，后面為5條地震波計算的結(jié)果平均值，即每類場地條件下所取.

3 地震波的選取

地震波的選取是結(jié)構(gòu)進行動力時程分析的首要內(nèi)容，為了使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)更加符合實際情況，選波時要針對建筑結(jié)構(gòu)的工程場地及設(shè)防烈度選取具有代表性的地震波.根據(jù)每類場地類別各選取了3條自然地震波.

表2 地震記錄表

進行結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析時，所選的地震波一般各方面要求同時達標是很難的，這時我們就要對所選取的地震波參數(shù)進行調(diào)整，使它的峰值加速度與其之前確定好的地震加速度的峰值相等.以第三類場地條件下為例，如圖7第三類場地地震波反應(yīng)譜所示，為調(diào)整后地震波反應(yīng)譜.

4 不同支座布置方式下結(jié)構(gòu)能量反應(yīng)分析

4.1 結(jié)構(gòu)的總輸入能量在支座不同布置方式下的影響

從圖8結(jié)構(gòu)總輸入能量中可以看出，結(jié)構(gòu)的總輸入能量隨場地土由硬到軟逐漸增大，即隨著場地類別的變化而逐漸變化.由于土層的濾波特性，在同一設(shè)防烈度條件下，Ⅰ，Ⅱ類場地結(jié)構(gòu)的總輸入能量相比于Ⅲ，Ⅳ類場地條件下結(jié)構(gòu)的總輸入能量小很多，使得場地的卓越周期根據(jù)土層的由硬到軟而逐漸變大，結(jié)構(gòu)的自振周期逐漸接近于場地的卓越周期，從而導(dǎo)致地震的反應(yīng)逐漸變大，即結(jié)構(gòu)的總輸入能量逐漸變大.2種支座的混合布置能量小于單純布置1種支座所產(chǎn)生的能量，所以現(xiàn)有工程大多數(shù)采用混合布置天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座的布置形式.總輸入能量的大小在Ⅰ，Ⅱ類硬土場地的條件下,2種支座的混合布置方式對其影響可以忽略;在Ⅲ，Ⅳ類軟土的場地條件下，支座的分散布置(方案三、四)的總輸入能量略小于集中布置的方式(方案五).

4.2 結(jié)構(gòu)隔震層位移在不同支座布置方式下的影響

從圖9結(jié)構(gòu)隔震層位移中可以看出，針對Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ類場地，單純地布置天然橡膠支座是不合理的，原因是本工程案例采用直徑為700 mm的天然橡膠支座和直徑為700 mm的鉛芯橡膠的支座，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)第12章12.2.6規(guī)定，對橡膠的隔震支座，不應(yīng)超過該支座的有效直徑的0.55倍和支座的內(nèi)部橡膠的總厚度的3.0倍二者的較小值[7-10]，根據(jù)案例的計算結(jié)果，則支座的隔震層位移不可超過385 mm.而單純地采用鉛芯橡膠支座雖然在任何場地類別下都可以保證最小的隔震層位移，但是考慮到結(jié)構(gòu)總輸入能量和造價等方面的因素，采用鉛芯橡膠支座與天然橡膠支座混合布置更為適宜.

4.3 上部結(jié)構(gòu)變形耗能比在不同支座布置方式下的影響

從圖10上部結(jié)構(gòu)變形耗能比中可以看出，無論在何種場地類別下，單純的布置天然橡膠支座是不可取的，變形耗能比較大，上部結(jié)構(gòu)分擔了較多的能量，沒有達到隔震的目的，而在Ⅰ類場地類別下，支座的其他不同布置方式對結(jié)構(gòu)的影響不大，上部結(jié)構(gòu)的變形耗能比由場地土質(zhì)的由硬到軟在逐漸減小，說明隔震結(jié)構(gòu)相比于硬土條件更適應(yīng)于軟土，在這種場地土條件下地震能量更多地被隔震層消耗，方案二優(yōu)于其他方案，但是考慮到造價等各方面因素的影響，采用方案三(四周布置鉛芯橡膠支座中間布置天然橡膠支座)更為適宜.

5 結(jié)論

對鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座的布置方式進行了能量反應(yīng)分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)結(jié)構(gòu)的總輸入能量隨著場地土的由硬到軟而逐漸變大，2種支座的混合布置能量小于單純的布置1種支座所產(chǎn)生的能量，且2種支座的分散布置能量小于集中布置；在同一設(shè)防烈度下，Ⅰ，Ⅱ類場地條件下結(jié)構(gòu)的總輸入能量遠小于Ⅲ，Ⅳ類場地條件下結(jié)構(gòu)的總輸入能量.

(2)在不同的支座布置方式下，單純地采用鉛芯橡膠支座在罕遇地震下支座位移是最小的，但是考慮到造價和結(jié)構(gòu)總輸入能量的性能，采用四周布置鉛芯橡膠支座中間布置天然橡膠支座更為適宜.

(3)上部結(jié)構(gòu)的變形耗能比受隔震層支座布置方式以及場地土的軟硬程度控制，當場地土越硬時，耗能比越大，耗能比的大小與場地土的軟弱成正比，隔震層吸收的能量與上部結(jié)構(gòu)耗能比成反比，能量的分配更加合理，可以更有效地保護上部結(jié)構(gòu).