華　奎，高　群

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

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不規(guī)則建筑隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

華奎，高群

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

摘要：利用 SAP2000軟件建立基礎隔震結(jié)構(gòu)、層間隔震結(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)的分析模型。通過對三種結(jié)構(gòu)模型進行振型反應譜分析和彈性時程分析，評估和對比這三種結(jié)構(gòu)樓層層間位移和層間位移角。結(jié)果表明：層間隔震結(jié)構(gòu)抗震效果最好。

關(guān)鍵詞：抗震性能；反應譜分析；彈性時程分析；位移；位移角

隨著我國城市建設和城鎮(zhèn)化進程的推進,復雜多變的建筑結(jié)構(gòu)形式已成為現(xiàn)代建筑發(fā)展的趨勢。歷次震害表明:不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯破壞的概率高于規(guī)則結(jié)構(gòu)。為了保障人民生命財產(chǎn)安全,提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震和隔震技術(shù)的設計水平，對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究是非常必要的[1]。

為了研究和對比基礎隔震結(jié)構(gòu)、層間隔震結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)的抗震效果，本文利用SAP2000軟件對三種結(jié)構(gòu)分別建立模型。為了數(shù)值模擬時得到比較理想的地震響應和動力特性分析，本文簡化處理了模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。通過對三種結(jié)構(gòu)的振型反應譜和彈性時程的數(shù)據(jù)對比分析，從而比較了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的抗震效果[2]。

1工程算例

本文模型均選取鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，第1～2層大底盤結(jié)構(gòu)為商用，第3～10層為辦公所用，樓層高度3.3 m，柱距5.5 m，梁、柱、板混凝土強度采用C40，板厚取120 mm，受力筋采用HRB400鋼筋，箍筋采用HPB300鋼筋。選取GZY700-140 鉛芯橡膠作為隔震結(jié)構(gòu)的隔震支座。利用SAP2000軟件建立的模型1、模型2和模型3如圖1、圖2、圖3所示?？蚣芰骸⒅x用框架/索/鋼束單元，樓板選用殼單元。

2結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，用于確定結(jié)構(gòu)的自身振動特性，又被稱作振型疊加法動力分析[3]。反應譜分析和時程分析是以模態(tài)分析為基礎，以此確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)振型等[4]。

為了能夠?qū)Y(jié)構(gòu)設計概念、相關(guān)結(jié)構(gòu)性有準確且定性的判斷，需要利用SAP2000軟件對結(jié)構(gòu)進行各階振型、周期等數(shù)據(jù)的研究與分析。SAP2000 提供了特征向量法和 Ritz 向量法兩種分析方法，本文選取的是Ritz向量法分析[5]。

(a)三維模型圖

(b)側(cè)立面圖

(a)三維模型圖

(b)側(cè)立面圖

(a)三維模型圖

(b)側(cè)立面圖

2.1結(jié)構(gòu)的固有振動特性

抗震設計中，對于結(jié)構(gòu)的振動影響程度，低階振型對內(nèi)力和位移貢獻的比重大于高階振型，所以高階振型的影響可以忽略不計[2]。本文以三種結(jié)構(gòu)前12 階振型周期進行分析(見表1和圖4)。

表1　三種結(jié)構(gòu)的前12階自振周期對比

圖4　三種結(jié)構(gòu)的前12階自振周期對比

2.2結(jié)果分析

由表1可知：(1)就每階振型的自振周期而言，隔震結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)都有所增大；(2)結(jié)合表1中其它自振周期可以看出，隔震結(jié)構(gòu)中在隔震支座以上結(jié)構(gòu)部分做類似平動運動，從而對場地的卓越周期可以有效地規(guī)避[6]。

3雙向反應譜分析

振型分解反應譜法是一種模擬動力的分析方法，它主要用于求解多自由度結(jié)構(gòu)體系的地震作用。該結(jié)構(gòu)模型屬于質(zhì)量和剛度沿高度分布不均勻且屬于高度不足40 m，宜采用振型分解反應譜法[7]。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》，由結(jié)構(gòu)所處的場地條件、所處地區(qū)抗震設防烈度等，確定該結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)曲線(多遇地震作用)，并對三種結(jié)構(gòu)模型進行反應譜分析，經(jīng)計算得到樓層位移和層間位移角(見表2)。

表2　雙向反應譜分析下結(jié)構(gòu)樓層層間位移和位移角

由表2可知：

(1)x、y方向的最大位移在反應譜分析下分別為20.53 mm、21.04 mm,最大位移角分別為1/101 7、1/112 6，1/133 5，遠遠小于《建筑抗震設計規(guī)范》中的第5.5.1條規(guī)定限值1/550，滿足規(guī)范要求[7]。

(2)隔震結(jié)構(gòu)的層間位移在x、y方向明顯小于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，層間隔震結(jié)構(gòu)位移較基礎隔震結(jié)構(gòu)小。

4結(jié)構(gòu)動力彈性時程分析

我國現(xiàn)行的《建筑抗震設計規(guī)范》第 5.1.2 條規(guī)定，“采用時程分析法在多遇地震下的特別不規(guī)則的建筑要進行補充計算”，采用時程分析法計算時，應依據(jù)建筑場地、環(huán)境類別和地震分組選擇3條加速度時程曲線[7]。本文選擇多遇地震波 EL-centro 波、蘭州波以及唐山波[5], 對三個模型進行數(shù)值模擬分析, 每條地震波持續(xù)時間取為 20 s。

三種結(jié)構(gòu)模型在彈性時程分析下的樓層位移和層間位移角如表3、表4、表5所示。

表4　蘭州波作用下三種結(jié)構(gòu)樓層層間位移和位移角

表5　唐山波作用下三種結(jié)構(gòu)樓層層間位移和位移角表

由表3、表4、表5分析可知：

(1)三種結(jié)構(gòu)頂點在EL-centro波作用下的最大位移分別是24.35 mm、13.35 mm、10.56 mm，最大層間位移角分別是1/911、1/102 0、1/120 9；蘭州波作用下的最大位移分別為21.45 mm、12.35 mm、10.16 mm，最大層間位移角分別為1/961、1/122 1、1/147 8；唐山波作用下的最大位移分別是22.47 mm、14.11 mm、12.38 mm，最大層間位移角分別為1/986、1/105 4、1/126 9。最大層間位移角均滿足規(guī)范規(guī)定的限值1/550[7]。

(2)在同一種結(jié)構(gòu)模型下，蘭州波作用下的頂點位移最小，而EL-centro波作用下的最大。

(3)隔震結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)層間位移減小，其中層間隔震結(jié)構(gòu)在三種地震波下發(fā)生的層間位移最小，抗震效果更顯著。

5結(jié)論

利用SAP2000軟件對三種結(jié)構(gòu)建立模型，分別進行反應譜分析、彈性時程分析，評估和對比這三種結(jié)構(gòu)抗震性能，結(jié)論為：

(1)通過縱、橫向?qū)Ρ瓤芍粽鸾Y(jié)構(gòu)的自振周期比傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)顯著提高，并可以對場地卓越周期進行有效的規(guī)避；隔震結(jié)構(gòu)在隔震支座以上的部分做類似平動運動，且隔震支座的引入使得結(jié)構(gòu)體系的被破壞性大大降低。

(2)三個結(jié)構(gòu)模型在振型分解反應譜分析下，隔震結(jié)構(gòu)的層間位移比傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)的層間位移小且層間位移角均小于1/550，滿足抗震規(guī)范要求。

(3)對三種結(jié)構(gòu)模擬輸入三種地震波，進行彈性時程分析，通過橫向和縱向的對比發(fā)現(xiàn)：EL-centro波作用下的反應大于其他兩種波的反應；隔震結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)效果好，而在隔震結(jié)構(gòu)中，層間隔震結(jié)構(gòu)效果更佳。

參考文獻

[1]黨育,杜永峰,李慧.基礎隔震結(jié)構(gòu)設計及施工指南[M].北京:中國水利水電出版社,2007：1-2.

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[3]雷慶關(guān),陳東.SAP2000 在“結(jié)構(gòu)動力學”中的應用探討[J].安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版),2012,20(3)：56-58.

[4]陳伯杰.不規(guī)則結(jié)構(gòu)設計與地震作用計算方法[J].山西建筑,2008,34(35)：111-113.

[5]羅輝. 平面不規(guī)則大底盤單塔樓隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[D].合肥：安徽建筑大學,2014：4.

[6]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑抗震設計規(guī)范：GB 50011—2010[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

Seismic performance of irregular isolation structure

HUA Kui,GAO Qun

(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：Based on the finite element software SAP2000 base isolation layer,interval isolation layer and the traditional anti-seismic structure model are set up.By means of executing the mode-superposition response spectrum analysis and elastic time-history analysis on the above three structure modals to evaluate and compare the inter-layer displacement and angle displacement between the layers of the above three structure modals.The results show that the interval isolation layer structure seismic performance works best.

Key words：seismic behavior;response spectrum analysis;elastic time-history analysis;displacement;displacement angle

中圖分類號：TU973+.23

文獻標識碼：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.005

文章編號:1674-7046(2016)01-0027-06

作者簡介：華奎(1988—)，男，安徽池州人，碩士研究生。

基金項目：安徽省高等學校自然科學研究重大項目(KJ2014ZD07)

收稿日期：2015-09-24