GFRP疊層橡膠支座的隔震性能分析*

郝潤霞，段案清

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程安全與耐久重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們的需求，隔震技術(shù)作為房屋建造的黑科技正在一步步走向人們的視野[1-4].GFRP支座作為隔震結(jié)構(gòu)的新型支座其重量輕、加工方便、造價低等優(yōu)勢正在受越來越多的研究人員關(guān)注[5].2013年10月，譚平等[6]人利用造價低，重量輕的纖維增強復(fù)合材料板代替造價高、重量大的傳統(tǒng)鋼板，加工出了一種新型支座（FRPB），并且使用有限元軟件ABAQUS經(jīng)過模擬分析探討2種支座的水平向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)力的大小及分布狀況，說明了二者的承載機理，揭示了翹曲因素對無約束型支座的應(yīng)力分布情況，為研究人員對這種支座的豎向及水平剛度的計算提供一定的參考依據(jù).2015年12月，廣州大學(xué)周福霖[7]院士等人將近些年來，地震對中國大陸村鎮(zhèn)房屋造成的破壞進行調(diào)查研究，想要發(fā)明一種可以在農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)施行的低造價的新型隔震支座，經(jīng)過教授們的努力一種新型支座FRP支座出現(xiàn)在人們的視野.2018年，李健軍[8]使用玻璃纖維增強復(fù)合材料板代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼板加工出了一種新型支座即GFRP疊層橡膠支座，這種新型支座支座質(zhì)量輕、阻尼大、造價低、安裝方便、設(shè)計制作簡單、滯回性能良好、耐候性好（可用于特殊要求的減震控制）、節(jié)省勞動力、可以提高生產(chǎn)效率，同時滿足了普通天然橡膠支座的力學(xué)性能要求.為了加速基礎(chǔ)隔震技術(shù)的推廣，使得研究這種質(zhì)量輕，設(shè)計制作簡單，適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)房屋的隔震支座便顯得十分有意義.文中GFRP支座的有限元分析參數(shù)來源于廣州大學(xué)李健軍老師研究團隊.

1 工程概況

本工程為山西省某幼兒園，鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)，共4層，隔震層層高為1.5 m，其他層高均為3.9 m，柱的截面尺寸為600 mm×600 mm，主梁的截面尺寸為350 mm×600 mm，次梁的截面尺寸為250 mm×400 mm，板的厚度為120 mm，混凝土的強度為C40，鋼筋采用HRB400的鋼筋.

隔震層中的隔震支座采用的是鉛芯橡膠支座LRB700及鉛芯橡膠支座LRB600、GFRP橡膠支座.其中鉛芯橡膠支座LRB700的等效水平剛度為1384 kN／m，等效阻尼比為5.0%.鉛芯橡膠支座LRB600的等效水平剛度為1101 kN／m，等效阻尼比為5.0%.GFRP支座豎向剛度等效水平剛度為340 kN／m，等效阻尼比為4.3%.建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防的烈度為7度，乙類建筑，場地的類別為Ⅲ類，設(shè)計的地震分組為第二組，抗震的等級為二級，場地的特征周期為0.55 s，不考慮風(fēng)荷載.圖1為結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)圖.

圖1 結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)圖

2 地震波的選取

地震波的選取是完成結(jié)構(gòu)的動力時程分析的首要內(nèi)容.在工程抗震研究中一般以地震波的峰值加速度來反映地震動強度[9-11].因此，在對建筑進行地震反應(yīng)分析時需對選取的地震波按照抗震設(shè)防要求進行加速度蜂值調(diào)整，如式（1）所示.

式中：A（t）為原地震波時程曲線任意時刻t加速度值；Amax為原地震波時程曲線峰值加速度值；A′（t）為調(diào)整后的震波時程曲線任意時刻t加速度值；A′max為調(diào)整后的地震波時程曲線峰值加速度值.

由于地震波傳遞與建筑場地土的性質(zhì)關(guān)系密切，在充分考慮選取各地震波要素的前提下，為保證動力響應(yīng)分析結(jié)果在合理范圍內(nèi)的，根據(jù)抗震規(guī)范規(guī)定[12]，采用時程分析法時，應(yīng)按照建筑場地和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2／3.因此，文中選取了實際3條自然地震動記錄和2條人工模擬波.

天然波1為Hector Mine波，天然波2為Imperial Valley波，天然波3為Northridge波.人工波01與人工波02均使用人工地震波合成器SIMQKE程序生成.天然波及人工波的反應(yīng)譜均是使用Seismo Signal進行調(diào)整處理.如圖2所示，可以看出本文選取的地震波的反應(yīng)譜與規(guī)范譜在統(tǒng)計規(guī)律內(nèi)基本符合.圖3～10所示為所選擇的5條地震波的X方向及Y方向.

圖2 地震波反應(yīng)譜

圖3 Hector Mine波X方向

圖4 Hector Mine波Y方向

圖5 Imperial Valley波X方向

圖6 Northridge波X方向

圖7 Imperial Valley波Y方向

圖8 Northridge波Y方向

圖9 人工波01

圖10 人工波02

根據(jù)表1可知，對比隔震前后模型的前5階模態(tài)周期可知，采取隔震技術(shù)后，周期延長約3倍左右，在更高階的模態(tài)中，周期延長效果沒有那么明顯，系數(shù)只有1.5左右.隔震技術(shù)在低階振型會起到顯著的周期延長效果，降低低階振型的地震作用.相比于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)周期的增大，會使建筑受到的地震力減小，墻梁柱等構(gòu)件受到地震力傳來的彎矩與剪力會減小，各構(gòu)件的配筋都會適當減少，有利于提高建筑的安全性及經(jīng)濟性.

表1 隔震措施前后結(jié)構(gòu)周期的對比

3 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

3.1 層間位移分析

本工程案例采用240 mm×240 mm×90 mm的GFRP橡膠支座、直徑為700 mm的鉛芯橡膠支座搭配及直徑為600 mm的鉛芯橡膠支座搭配，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）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)部橡膠總厚度的3.0倍二者的較小值即120 mm.從圖11中可以看出，根據(jù)本案例的計算結(jié)果，隔震層的最大層間位移為82.79 mm，在罕遇地震下無論是X方向的層間最大位移或者Y方向的隔震層層間最大位移都滿足規(guī)范要求.

圖11 不同地震波作用下的隔震結(jié)構(gòu)層間位移

七度罕遇下，以Northridge波為例，通過圖12發(fā)現(xiàn)其抗震結(jié)構(gòu)X向頂層與底層的相對位移為25.34 mm，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)X向頂層與底層的相對位移為13.86 mm，經(jīng)過使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)其相對位移減小了45.3%，展現(xiàn)了使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計的隔震結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的隔震性能.此外，通過圖11可以發(fā)現(xiàn)在第3條天然波的作用下，其X方向結(jié)構(gòu)由4層到1層的位移依次為76.71，74.5，70.72，62.85 mm，Y方向結(jié)構(gòu)由4層到1層的位移依次為103.72，99.33，93.42，82.79 mm.Y向結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)相對于X向依次提高了26%，24.9%，24.3%，24.1%，結(jié)構(gòu)Y方向的動力響應(yīng)明顯高于X方向，由此可以得出結(jié)論，在對結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時應(yīng)該充分考慮地震波2個方向的輸入，從而做到模擬的準確性.

圖12 GFRP支座作用下的隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)層間位移對比

3.2 加速度對比分析

通過圖13，14，七度罕遇下，可以發(fā)現(xiàn)以Northridge波X向位例，經(jīng)過隔震設(shè)計后，頂層最大加 速 度 由 原 來 的11055 mm／s2降 低 到4296 mm／s2，降低幅值為61.40%.以人工波為例，加速度由原來的9256 mm／s2降低到4034 mm／s2，降低幅值為56.42%.由此可以看出，采用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計的隔震結(jié)構(gòu)的各樓層層間加速度與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)各樓層層間加速度相比，其加速度大小顯著降低.此外，以Northridge波為例，由四層到一層對于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)其X向的加速度為5365，4576，3202，2260 mm／s2，Y向的加速度為11055，9283，6437，2302 mm／s2，Y向結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)相對于X向依次提高了51.5%，50.7%，52.3%，1.8%，結(jié)構(gòu)Y方向的動力響應(yīng)明顯高于X方向，由此可以得出結(jié)論，在對結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時應(yīng)該充分考慮地震波2個方向的輸入，從而做到模擬的準確性.

圖13 不同地震波作用下的隔震結(jié)構(gòu)層間加速度

圖14 GFRP支座作用下的隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)層間加速度對

3.3 層間剪力對比分析

通過圖15，16，七度罕遇下，可以發(fā)現(xiàn)Northridge波X方向為例，隔震結(jié)構(gòu)由4層到1層的層間剪力分別為1047.7，1795.05，2839.12，3078.07 kN，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層間剪力由4層到1層分別為1596，3059，4173，4801 kN.各樓層的剪力降低幅值分別為34.3%，41.3%，32.1%，35.9%.以Northridge波Y方向為例，隔震結(jié)構(gòu)由4層到1層的層間剪力分別為1113.4，1858.01，2986.15，2995.24 kN，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層間剪力由4層到1層分別為3034，5948，7850，8256 kN.各樓層的剪力降低幅值分別為63.3%，68.8%，62.0%，63.7%.展現(xiàn)了使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計的隔震結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的隔震性能.此外，對于隔震結(jié)構(gòu)2～4層，由Y向結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)相對于X向依次提高了4.9%，3.4%，5.9%.結(jié)構(gòu)Y方向的動力響應(yīng)略高于X方向，由此可以得出結(jié)論在對結(jié)構(gòu)進行隔震設(shè)計時應(yīng)該充分考慮地震波兩個方向的輸入，從而做到模擬的準確性.

圖15 不同地震波作用下的隔震結(jié)構(gòu)層間剪力

圖16 GFRP支座作用下的隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)層間剪力對比

4 小結(jié)

通過上述研究及計算主要得出以下結(jié)論：

1）使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)較抗震結(jié)構(gòu)在加速度響應(yīng)及剪力響應(yīng)方面均有60%左右的降低，展現(xiàn)了使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計的隔震結(jié)構(gòu)良好的隔震性能；

2）結(jié)構(gòu)在加速度、剪力方面的Y向地震動反應(yīng)較X向提高了51.5%，4.7%左右，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時有必要進行雙向地震動的輸入，從而達到模擬的準確性.