郝潤(rùn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jià)低等優(yōu)勢(shì)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(jià)低，重量輕的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板代替造價(jià)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(jī)理，揭示了翹曲因素對(duì)無約束型支座的應(yīng)力分布情況，為研究人員對(duì)這種支座的豎向及水平剛度的計(jì)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(duì)中國(guó)大陸村鎮(zhèn)房屋造成的破壞進(jìn)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(jià)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(qiáng)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(jià)低、安裝方便、設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)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(dòng)力、可以提高生產(chǎn)效率，同時(shí)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(jì)制作簡(jiǎn)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(tuán)隊(duì).

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(qiáng)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(chǎng)地的類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)的地震分組為第二組，抗震的等級(jí)為二級(jí)，場(chǎng)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(dòng)力時(shí)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(dòng)強(qiáng)度[9-11].因此，在對(duì)建筑進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)需對(duì)選取的地震波按照抗震設(shè)防要求進(jìn)行加速度蜂值調(diào)整，如式（1）所示.

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

由于地震波傳遞與建筑場(chǎng)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(dòng)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(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按照建筑場(chǎng)地和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)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(shí)際3條自然地震動(dòng)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(jìn)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(jì)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(duì)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(zhǎng)約3倍左右，在更高階的模態(tài)中，周期延長(zhǎng)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(huì)起到顯著的周期延長(zhǎng)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(huì)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(huì)減小，各構(gòu)件的配筋都會(huì)適當(dāng)減少，有利于提高建筑的安全性及經(jīng)濟(jì)性.

表1 隔震措施前后結(jié)構(gòu)周期的對(duì)比

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)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(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）規(guī)定，對(duì)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(jì)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(duì)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(duì)位移為13.86 mm，經(jīng)過使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)其相對(duì)位移減小了45.3%，展現(xiàn)了使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計(jì)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(duì)于X向依次提高了26%，24.9%，24.3%，24.1%，結(jié)構(gòu)Y方向的動(dòng)力響應(yīng)明顯高于X方向，由此可以得出結(jié)論，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮地震波2個(gè)方向的輸入，從而做到模擬的準(zhǔn)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(duì)比

3.2 加速度對(duì)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(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(dòng)力響應(yīng)明顯高于X方向，由此可以得出結(jié)論，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮地震波2個(gè)方向的輸入，從而做到模擬的準(zhǔn)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(duì)

3.3 層間剪力對(duì)比分析

通過圖15，16，七度罕遇下，可以發(fā)現(xiàn)Northridge波X方向?yàn)槔粽鸾Y(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?yàn)槔?，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(jì)的隔震結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的隔震性能.此外，對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)2～4層，由Y向結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)相對(duì)于X向依次提高了4.9%，3.4%，5.9%.結(jié)構(gòu)Y方向的動(dòng)力響應(yīng)略高于X方向，由此可以得出結(jié)論在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮地震波兩個(gè)方向的輸入，從而做到模擬的準(zhǔn)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(duì)比

4 小結(jié)

通過上述研究及計(jì)算主要得出以下結(jié)論：

1）使用GFRP疊層橡膠支座設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(jì)時(shí)有必要進(jìn)行雙向地震動(dòng)的輸入，從而達(dá)到模擬的準(zhǔn)確性.