高層建筑隔震性能分析研究

李 婧，蘭文改

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

近年來，隨著工程抗震的發(fā)展，傳統(tǒng)抗震方法通過對結(jié)構(gòu)本身采取加固措施所能達(dá)到的效果變得越來越低。由于傳統(tǒng)抗震方法的局限性，結(jié)構(gòu)振動控制方法應(yīng)運而生。

其中，建筑隔震技術(shù)通過在建筑結(jié)構(gòu)某一層布置隔震支座的方式，將建筑的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分離，減少甚至避免地震能量從底部傳輸?shù)缴喜拷Y(jié)構(gòu)[1]，該技術(shù)被越來越多地運用在實際工程中。

隔震技術(shù)通過“以柔克剛”的方式進(jìn)行抗震，以延長結(jié)構(gòu)的自振周期，增大結(jié)構(gòu)的阻尼，減少地震對上部結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)[2]。隔震層位置也從最初的僅能設(shè)置在結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間發(fā)展到了可以布置在基礎(chǔ)之上的某一層。層間隔震的出現(xiàn)使隔震層的布置位置變得更加靈活，為工程抗震技術(shù)提供了更多的可能性。2021年，《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]的頒布和實施也使得隔震技術(shù)更加完善和成熟，在一定程度上也會推動隔震技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

1 工程概況與模型建立

本文以某12 層教學(xué)樓為例進(jìn)行分析，教學(xué)樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑總高度47.4 m，地上12 層，首層高度4.5 m，其他層高度3.6 m，無地下室，總長度32.4 m，寬度15.3 m。該建筑抗震設(shè)防烈度7 度，乙類建筑，設(shè)計分組為第二組，地震加速度峰值0.1g，特征周期0.45 s，擬采用隔震技術(shù)，結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）

利用有限元軟件SAP2000 建立框架結(jié)構(gòu)體系有限元模型，并進(jìn)行受力分析，在SAP2000 軟件中能夠精準(zhǔn)模擬出橡膠隔震支座的性能。在建立模型時，框架梁、柱采用框架單元，樓板采用面單元，模擬橡膠隔震支座采用橡膠隔震單元，定義連接類型為Rubber Isolator，通過SAP2000 建立的整體模型如圖2 所示。

圖2 整體模型圖

2 隔震層布置

《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《隔標(biāo)》）現(xiàn)已正式發(fā)布，對于隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計，《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]（以下簡稱《抗規(guī)》）的區(qū)別主要在于，《隔標(biāo)》中將包含隔震層的“一體化直接設(shè)計法”代替“分部設(shè)計”。在理論依據(jù)方面，《隔標(biāo)》以復(fù)振型分解和CCQC 振型組合規(guī)則為核心理論[5]。在設(shè)計方法的選取時，何世茂[6]認(rèn)為，非“兩區(qū)八類”建筑，選用《隔標(biāo)》與《抗規(guī)》均可，本文選取的建筑并非規(guī)范中的“兩區(qū)八類”建筑，在隔震層布置時選擇《抗規(guī)》為設(shè)計依據(jù)。

本工程無地下室，所以基礎(chǔ)隔震在±0.000 以下設(shè)置隔震層，層間隔震的位置設(shè)置在4 層柱頂，隔震層層高1.6 m。隔震層采用天然橡膠支座與鉛芯橡膠支座組合布置，選用了不同規(guī)格的橡膠支座共計40 個，其中，天然橡膠支座16 個，鉛芯橡膠支座34 個。角柱處設(shè)置規(guī)格為LRB700 的鉛芯橡膠支座，結(jié)構(gòu)外圍設(shè)置規(guī)格為LRB600 的鉛芯橡膠支座，結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置規(guī)格為LNR600 的天然橡膠支座?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)為方案1，層間隔震結(jié)構(gòu)為方案2。隔震層的布置如圖3 所示。

圖3 隔震支座分布圖（單位：mm）

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)固有動力特征的一種近似方法，是時程分析的基礎(chǔ)，在SAP2000 中提供了特征向量法和Ritz 向量法2 種求解方法，本文選取Ritz 向量法對原結(jié)構(gòu)以及方案1 和方案2 進(jìn)行模態(tài)分析。

通過模態(tài)分析，得出結(jié)構(gòu)的前12 階自振周期如表1 所示。

表1 自振周期

從表1 中可以看到，方案1 與方案2 都能延長結(jié)構(gòu)的自振周期，但方案2 的效果不如方案1 顯著。在第一階振型下，非隔震結(jié)構(gòu)的自振周期為2.05 s，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的自振周期為3.57 s，層間隔震的自振周期為2.61 s，增設(shè)了隔震支座的結(jié)構(gòu)盡管都顯著增加了結(jié)構(gòu)的自振周期，但隔震層位置的不同會影響其自振周期，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的自振周期較原結(jié)構(gòu)延長了74%，而層間隔震結(jié)構(gòu)的自振周期較原結(jié)構(gòu)延長了27%。

4 時程分析

4.1 地震波選取

根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求，在選取地震波時，需要選取實際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強(qiáng)震記錄不少于2/3，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型反應(yīng)分解譜計算結(jié)果的60%，多條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型反應(yīng)分解譜計算結(jié)果的80%。

根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求，本結(jié)構(gòu)選用3 條地震波，分別為TRI 波、LWD 波的2 條天然波和依據(jù)規(guī)范合成的1 條人工波“REN”。將選取的3 條時程曲線與反應(yīng)譜曲線作用下的結(jié)構(gòu)底部剪力提取計算，結(jié)果匯總情況如表2 所示，經(jīng)過計算，3 條地震波是符合規(guī)范要求的。

表2 驗算地震波

4.2 層間剪力對比分析

將原結(jié)構(gòu)模型與方案1、方案2 在所選取的3 條地震波的作用下進(jìn)行非線性動力時程分析，得到結(jié)構(gòu)層間剪力的對比，3 個模型在X向地震作用下的層間剪力情況如圖4 所示。

圖4 X 向地震作用下層間剪力

由以上圖可以看出，在地震作用下，普通框架結(jié)構(gòu)的層間剪力會比增設(shè)隔震支座的結(jié)構(gòu)大得多，說明隔震技術(shù)能夠有效地減少上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)層間剪力大幅降低，層間隔震結(jié)構(gòu)較基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)層間剪力略大一些。從曲線變化趨勢看，減震效果最明顯的是底層，隨著樓層的增加，層間剪力減少的趨勢變小。

4.3 層間位移對比分析

層間位移最大值是衡量結(jié)構(gòu)使用功能的重要參數(shù)指標(biāo)，能夠反映結(jié)構(gòu)變形程度。在軟件中利用截面切割法獲取結(jié)構(gòu)在3 條地震波下的層間位移最大值，分別如表3、表4、表5 所示。

表3 LWD 波作用下不同結(jié)構(gòu)層間位移最大值（單位：mm）

表4 TRI 波作用下不同結(jié)構(gòu)層間位移最大值（單位：mm）

表5 REN 波作用下不同結(jié)構(gòu)層間位移最大值（單位：mm）

由表可知，隔震結(jié)構(gòu)能夠降低地震對上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，層間位移最大值發(fā)生在隔震層，隔震層以上層間位移值較小，接近于整體平動，說明結(jié)構(gòu)在隔震層吸收了大量地震能量，有效地減少了地震作用對上部結(jié)構(gòu)的影響?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震層位移值突變幅度更大，且上部結(jié)構(gòu)的位移較小，說明基礎(chǔ)隔震能夠?qū)Φ卣鹱饔孟蚋粽饘右陨辖Y(jié)構(gòu)的傳遞起到有效抑制的作用。

5 結(jié)語

本文首先利用SAP2000 軟件建立框架結(jié)構(gòu)分析模型，并依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進(jìn)行合理選取，結(jié)合相關(guān)規(guī)范進(jìn)行隔震層的設(shè)計與布置。采用模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時程分析的方法對結(jié)構(gòu)的周期和剪力進(jìn)行分析，得出結(jié)論：無論是層間隔震還是基礎(chǔ)隔震都會起到延長結(jié)構(gòu)自振周期和降低結(jié)構(gòu)層間剪力的效果，但是本結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)隔震的減震效果明顯大于層間隔震，原因是隔震層位置的不同影響了減震效果。隨著《隔標(biāo)》的實施，隔震技術(shù)在實際工程中也將受到越來越多的重視和應(yīng)用，隔震技術(shù)也會愈加規(guī)范和成熟。