基于隔震技術的框架結構失效機理研究

蔣文俊 郭恩平 陳稚文 張志偉 羅成志

基于隔震技術的框架結構失效機理研究

蔣文俊1郭恩平1陳稚文2張志偉1羅成志1

（1.湖南科技學院 土木與環(huán)境工程學院，湖南 永州 425199；2.湖南中煙零陵卷煙廠，湖南 永州 425199）

為提高框架結構抗震性能，本文對實際工程設計了不同隔震支座方案。通過有限元軟件SAP2000，對不同隔震支座方案中結構的地震反應分析進行了比較。分析結果表明，隨著摩擦滑移支座數量的增加，結構的基底剪力是呈拋物線趨勢的，同時結構的隔震層位移逐漸減小。因此，摩擦承壓比取中間某一合適的值時，結構的地震剪力最小，結構的位移反應也較小。

復合隔震；時程分析；摩擦承壓比；基底剪力；隔震層位移

框架結構在歷次大地震中都表現出較嚴重的破壞或者倒塌，眾多專家均提出相應的改進框架結構破壞機制的措施和方法，如加大柱配筋，設置支撐，改進結構體系，設置為少剪力墻結構等。不同的方案改進框架結構破壞機制效果不一，目前比較成熟的方法為在框架結構中設置隔震層，結構隔震技術是目前應用于框架結構抗震中比較有效的措施，隨著技術的發(fā)展和對隔震支座性能研究的成熟，國內外采用復合隔震技術居多[1]。該方法結合了摩擦滑移支座和橡膠支座的優(yōu)點，能在經濟合理的基礎上提高框架結構抗震性能，使設計及構造處理更靈活。

復合隔震支座采用不同布置方案，以分析得出最優(yōu)方案，以最大程度提高結構抗震性能。本文通過對某框架結構設置純橡膠支座，純滑移支座，通過四個滑移支座為一組逐漸增加滑移支座數量以得到不同方案，從而得到不同承壓比時，結構的基底剪力和隔震層位移的變化曲線[2]。

1 隔震結構

結構隔震技術是目前應用于框架結構抗震中比較有效的措施，隨著技術的發(fā)展和對隔震支座性能研究的成熟，復合隔震方法能夠更大程度提高結構抗震性能，因此國內外采用該方案居多。該方法結合了摩擦滑移支座和橡膠支座的優(yōu)點，能在經濟合理的基礎上提高框架結構抗震性能，而且使設計及構造處理更加靈活[3]。

隔震支座布置位置不同，可以形成不同的復合隔震方案，對結構抗震性能的影響是不同的。如何分析得到最優(yōu)方案，以最大程度提高結構抗震性能是亟需解決的問題。本文針對實際工程案例，通過幾種不同布置方案進行有限元分析，包括純橡膠支座，純滑移支座，以四個滑移支座為一組逐漸增加滑移支座數量，從而得到不同承壓比時，結構的基底剪力和隔震層位移的變化曲線。

2 隔震原理

2.1 橡膠隔震支座

橡膠隔震支座是由橡膠層和鋼板層疊合而成，其中橡膠層主要提供水平剛度，豎向剛度由鋼板提供，不提供水平約束。通過第1、2形狀系數決定其變形性能，具體計算公式如下。

橡膠隔震支座在受到上部結構的豎向壓力作用時，其承載力主要由內部的鋼板強度決定，當支座受到豎向壓力，橡膠層會受擠壓變形，使得鋼板受拉破壞導致支座破壞。當支座受到水平剪切作用時，支座會發(fā)生變形，此時鋼板對橡膠層不起作用，橡膠層可以發(fā)生水平變形，從而消耗地震能量，此時由于支座頂部和底部重疊范圍內的橡膠仍然處于三向受力狀態(tài)，支座仍具有一定的豎向承載力。

圖1 橡膠隔震支座

圖2 摩擦滑移支座

2.2 摩擦滑移支座

摩擦滑移支座是利用鋼板之間的滑動消耗一定的地震能量，其剖面如圖2所示，當結構受到水平地震作用時，支座的上下鋼板之間發(fā)生水平剪切變形，鋼板之間的聚四氟乙烯板具有一定的豎向承載力，且當水平地震作用比較小時，由于摩擦力的存在，支座不會發(fā)生變形，具有一定的初始剛度，當地震作用足夠大時，鋼板之間發(fā)生滑移變形從而消耗地震能量[4]。

2.3 并聯(lián)隔震體系

并聯(lián)隔震體系由橡膠滑移支座和摩擦滑移支座并列而成。這種布置方式可以利用滑移支座的豎向剛度大的特點承擔上部結構的部分自重。減少橡膠墊的數量從而降低造價。并聯(lián)隔震體系的計算模型，一般情況下層間剪切模型適用于隔震結構。摩擦滑移支座一般采用理想彈塑性計算模型。橡膠隔震墊在一定變形內可以考慮為線性恢復力元件，在設計變形范圍內，連接原點和終點的割線剛度基本為常數。并聯(lián)隔震支座的運動微分方程如下[5]：

3 工程案例

3.1 工程概況

本工程為已有某辦公樓框架結構，結構總層數為七層，每層層高為3 m，工程位于邯鄲市，8度設防(0.2 g)，設計地震分組為二組，抗震等級為二級，Ⅱ類場地。結構設計信息為，柱截面為500 mm×500 mm，主梁梁寬300 mm、高600 mm，次梁梁寬250 mm、高450 mm，板厚為120 mm。

圖3 結構平面圖

3.2 方案的布置與支座參數的設置

通過SAP2000進行有限元分析，對比各種不同布置方案，最終根據本項目布置了11種方案，純橡膠支座，純滑移支座，4個滑移支座，8個滑移支座，12個滑移支座，16個滑移支座，20個滑移支座，24個滑移支座，28個滑移支座，32個滑移支座，36個滑移支座。

在有限元軟件中，橡膠支座的有限元模擬采用GZP600用滯回隔震器Rubber isolator。其設計參數為：U1方向，垂直（軸向線性）剛度=1.7×109N/m，有效阻尼為0；U2方向，線有效剛度為0.9×106N/m，有效阻尼為0；非線性剛度為0.7×106N/m，剪屈強度為0.7×105N，屈服剛度初始剛度比為0.1；U3方向的設置同U2。

滑板支座用Friction isolator模擬。其設計參數為：U1方向，（線性）剛度=1.1×109N/m，有效阻尼為0；（非線性）剛度=1.1×108N/m。U2方向，（線性）有效剛度=0.6×106N/m,有效阻尼為0；（非線性）剛度=1.6×107N/m，摩擦系數0.2，弧度為0。U3方向的設置同U2。

輸入EI Centro 地震波，定義工況一Dead,荷載類型 DEAD，函數RAMPTH，比例系數1；定義工況二 Time，荷載類型Accel U1，取比例系數為5.7。定義荷載工況一是因為結構中有非線性連接單元時，定義一個在自重作用下的時程工況，采用斜坡函數模擬自重的施加過程，并為該工況指定一個高阻尼結構的由斜坡函數激勵產生的振動。在自重時程分析工況之后，給該框架結構施加一個在水平方向或豎直方向加速度時程函數。模擬地震波作用于結構上時，結構在本身自重荷載作用下的效應[6]。

3.3 各方案地震反應對比結果

通過對比不同方案下結構的基底剪力和隔震層joint644的位移反應，對比分析摩擦承壓比對結構隔震性能的影響。分析數據處理如下：

1）結構摩擦承壓比與基底剪力和位移

圖6 摩擦承壓比與頂點位移

圖7 摩擦承壓比與基底剪力

從有限元分析結果可以看出，隔震層摩擦承壓比會隨著摩擦滑移支座的增加而增大，結構隔震層位移反應隨摩擦承壓比增大呈下降趨勢，結構基底剪力曲線呈拋物線。

2）連接滯回耗能與摩擦承壓比關系分析

圖8 連接滯回耗能與摩擦承壓比關系

從以上不同方案結構的耗能曲線可以看出，摩擦承壓隨滑移支座數量的增加而增大，滑移支座越多結構耗能越明顯，隔震層吸收地震能力越大，結構的抗震性能越好。

4 結 語

本文通過對實際項目進行不同隔震支座布置并進行有限元分析，發(fā)現通過在實際工程案例中設置隔震支座，可以有效提高結構的抗震性能，并且根據橡膠隔震支座和滑移支座布置數量的不同，對比不同布置方案結構的摩擦承壓比與基底剪力，頂點位移與基底剪力關系曲線，可以得出以下結論：隨著復合隔震摩擦承壓比的增大，基底剪力呈拋物線趨勢，結構存在最優(yōu)承壓比問題，其最大位移反應會逐漸減?。浑S著復合隔震摩擦承壓比的增大，耗能能力逐漸增強；采用隔震支座可以改進框架結構的抗震性能。

[1]ATC,Seismic Evaluationand Retrofit of Concrete Buildings[R], ReportNo.ATC-40.Applied Technology Council,Redwood- City,California,1996

[2]FEMA,“NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings”[R],FEMA - 273,Washington D.C.,1997

[3]管江濤.淺議高層建筑結構設計中的隔震減震措施[J].城市建設理論研究(電子版),2017(13):103-104.

[4]葉鑫.摩擦滑移擺隔震新技術試點工程應用研究[D].昆明理工大學,2017.

[5]袁穎,周愛紅,楊樹標,何國峰.并聯(lián)復合隔震結構的地震響應和滯回特性分析[J].工業(yè)建筑,2014,44(01):29-33+133.

[6]易鳴,姚運生,王秋良,魏勇,雷霆.某框架結構基礎隔震地震反應對比分析[J].地震工程學報,2019,41(02):340-346.

2020-09-29

湖南科技學院2017年大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目“基于混凝土結構設計的框架破壞機制研究”（項目編號201301502052）；2019年永州市指導性科技計劃項目（項目編號2019-yzkj-17）；2019湖南省教育廳課題（項目編號20C0850）。

蔣文俊(1999－)，男，湖南永州人，湖南科技學院土木與環(huán)境工程學院學生。

郭恩平(1987－)，女，山西臨汾人，碩士，講師，研究方向為工程結構抗震與振動控制。

TU352

A

1673-2219（2021）03-0033-04

（責任編校：文春生）