黃 艷,董 璞

(惠州學(xué)院建筑與土木工程系,廣東 惠州 516007)

0 引 言

建筑基礎(chǔ)隔震的基本原理是通過在隔震層設(shè)置隔震消能裝置,延長建筑物的自振周期,阻止地震能量向上傳遞,同時(shí)提供一定的阻尼,消耗地震能量,從而達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的[1～3]。目前,國內(nèi)外對建筑物水平隔震的研究已較成熟,但相當(dāng)多的計(jì)算分析仍采用簡化的力學(xué)模型和假定條件。如假設(shè)樓板剛度無窮大,從而將上部結(jié)構(gòu)等效成單質(zhì)點(diǎn)或多質(zhì)點(diǎn)剪切模型;通過隔震層位移擴(kuò)大系數(shù)來考慮隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這些簡化手段都不能反映出非對稱結(jié)構(gòu)空間受力狀態(tài),不能直接確定上部結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件所承受的內(nèi)力,使得設(shè)計(jì)人員無法直接對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),也不能直接應(yīng)用于隔震高層建筑和一些重要的工程結(jié)構(gòu)。因此,本文運(yùn)用ANSYS軟件建立三維空間模型,對一實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基礎(chǔ)隔震體系的地震反應(yīng)分析,并將計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)剪切模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比與分析,為工程設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)。

1 工程概況

某配電樓工程,排架結(jié)構(gòu),地下1層,地上1層,局部2層,屋面為SP預(yù)應(yīng)力空心板。平面尺寸62.4 m×10.5 m,總高度為12.2 m。梁、柱混凝土強(qiáng)度等級為C40。設(shè)結(jié)構(gòu)長邊方向?yàn)榭v向,短邊方向?yàn)闄M向。主要構(gòu)件尺寸:縱向梁為250mm×600mm,250mm×700mm,橫向梁為250mm×700mm,屋面梁為400mm×600mm;牛腿柱下截面為500mm×800mm,上截面為500mm×400mm,其它為400mm×400mm。場地土為二類,場地特征周期 Tg=0.45 s,房屋至發(fā)震斷層距離大于10 km。由于電力系統(tǒng)地震破壞后果嚴(yán)重,因此對該工程采用基礎(chǔ)隔震技術(shù),提高其抵抗超烈度地震的能力是非常必要的。

本工程將隔震支座設(shè)置在1層樓面的下面即地下室的頂部,將1層以上結(jié)構(gòu)與地下室隔開,以達(dá)到隔離地震能量、減少上部結(jié)構(gòu)地震作用的目的。隔震支座上部樓板應(yīng)采用現(xiàn)澆板,并適當(dāng)加大厚度,以加強(qiáng)隔震層的整體性,基礎(chǔ)建議采用片筏基礎(chǔ)。

2 傳統(tǒng)剪切型隔震分析

由上部結(jié)構(gòu)計(jì)算出1層柱底軸力的設(shè)計(jì)值。參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第12章第12.2.1條中隔震支座平均壓應(yīng)力限值應(yīng)小于等于15.0MPa的規(guī)定,然后再根據(jù)大震時(shí)的位移要小于隔震支座0.55 D的要求,確定本工程采用鉛芯橡膠隔震支座GZY400,共36個(gè)。所選用的隔震支座力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示(注:γ表示隔震支座的水平剪切應(yīng)變,其值等于支座水平位移與橡膠層總厚度的比值)。隔震支座平面布置圖及剖面圖分別如圖1、圖2所示[5]。

表1 隔震支座力學(xué)性能

圖1 隔震支座平面布置圖

圖2 1-1剖面圖

圖3 計(jì)算簡圖

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第12章的具體規(guī)定,采用剪切型模型,計(jì)算簡圖如圖3所示。隔震層和上部結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)分別列于表2、表3。

表2 隔震層參數(shù)

表3 上部結(jié)構(gòu)參數(shù)

參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于選用地震波的要求,在每一時(shí)程分析時(shí)都選用了3條地震波(2條天然波和1條人工波)。在選擇地震波時(shí)還注意了所選地震波的地震影響線曲線在結(jié)構(gòu)基本周期附近同《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的地震影響線曲線比較靠近,可實(shí)現(xiàn)3條波的平均地震影響線曲線與規(guī)范地震影響線曲線有良好的統(tǒng)計(jì)意義相符。鑒于隔震小震、隔震大震、不隔震3種情況的結(jié)構(gòu)基本周期不同,共選用了9條地震波,地震波的選取詳見表4。加速度峰值分別取0.7 m/s2,4 m/s2,相當(dāng)于8度多遇地震和8度罕遇地震兩種情況。

表4 地震波選取

按設(shè)防烈度8度,采用時(shí)程分析法對結(jié)構(gòu)的隔震與不隔震狀態(tài)進(jìn)行了對比分析、驗(yàn)算,計(jì)算采用的是華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院編制的建筑隔震設(shè)計(jì)分析專用軟件(BIS),它已通過評測并由建設(shè)部批準(zhǔn)使用。計(jì)算結(jié)果詳見后續(xù)與ANSYS計(jì)算結(jié)果的對比分析中。

3 ANSYS三維計(jì)算結(jié)果及對比分析

作為對比,本工程另采用有限元ANSYS軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震時(shí)程反應(yīng)[6]。建模時(shí)鋼筋混凝土梁柱采用空間梁單元(beam4)模擬,鋼筋混凝土樓板采用四邊形殼單元(shell163)模擬,考慮了隔震支座的非線性特性,根據(jù)鉛芯橡膠隔震支座壓剪試驗(yàn)獲得其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,將其簡化成圖4所示的雙線性滯回曲線。其中k1、k2分別為屈前、屈后剛度,Q為屈服剪力。采用彈簧阻尼單元(combine40)來模擬隔震支座的雙線性。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)共為1745,單元數(shù)共為2171。

圖4 雙線性模型

3.1 結(jié)構(gòu)的自振周期

采用子空間迭代法,分別沿結(jié)構(gòu)的縱、橫向進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。由表5可看出,ANSYS與BIS的計(jì)算結(jié)果較為接近。通過隔震層的設(shè)置延長了建筑結(jié)構(gòu)的自振周期,從而達(dá)到了降低結(jié)構(gòu)本身地震反應(yīng)的目的。由圖5可看出,隔震結(jié)構(gòu)的第一階振型為橫向水平平動,第二階振型為縱向水平平動,第三階振型為繞隔震層剛度中心的扭轉(zhuǎn)振動。不隔震情況下扭轉(zhuǎn)振動出現(xiàn)在第二振型。

表5 結(jié)構(gòu)自振周期

圖5 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)前三階振型

3.2 小震作用下的計(jì)算與分析

表6列出了隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)在小震作用下的最大層間剪力。從中可以看出,隔震與非隔震兩種情況下的層間剪力最大比值均小于0.35。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,本工程隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)取為0.5是合理的,上部結(jié)構(gòu)可按降一度進(jìn)行設(shè)計(jì)。從表6中還可看出BIS的計(jì)算結(jié)果和ANSYS的計(jì)算結(jié)果相比偏小,造成計(jì)算結(jié)果偏小的原因在于剪切計(jì)算模型僅考慮了其剪切特性,忽略了隔震層轉(zhuǎn)動對上部結(jié)構(gòu)層間剪力的影響。

表6 隔震前后的層間剪力對比

圖6 橫向小震作用下的加速度時(shí)程對比

設(shè)1軸與A軸相交處為1#柱,橫向小震作用下該柱在隔震與不隔震情況下柱底加速度時(shí)程曲線如圖6所示。從圖6可看出,柱底在隔震情況下的加速度比不隔震情況下加速度顯著減少。從而驗(yàn)證了小震作用下隔震結(jié)構(gòu)的減振效果。

3.3 大震作用下的計(jì)算與分析

隔震支座在大震作用下縱、橫向的位移時(shí)程曲線分別如圖7所示,最大位移值見表7。從中可看出,隔震支座的最大位移值均小于容許位移限值22cm,滿足規(guī)范要求,具有較高的安全儲備。BIS最大位移計(jì)算值比ANSYS偏大,反映出BIS的計(jì)算結(jié)果過于保守。

圖7 大震作用下隔震層位移時(shí)程曲線(EUREKA N79E波)

表7 隔震支座最大位移

另從圖8中可以看出,在大震作用下,屋頂和隔震層在大震作用下位移值相差較小,上部結(jié)構(gòu)近似平動。主要是隔震層發(fā)生了較大的相對位移,消耗了大部分的能量,傳到上部結(jié)構(gòu)的能量較少,因此上部結(jié)構(gòu)層間位移較小。

圖8 大震作用下底層和頂層的位移時(shí)程對比

4 結(jié) 語

(1)結(jié)果顯示,采用隔震措施后明顯延長了結(jié)構(gòu)的自振周期。這對于降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是有利的。建立三維模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析更符合實(shí)際,它能更好地反映平移和扭轉(zhuǎn)的耦合反應(yīng)。這是采用單質(zhì)點(diǎn)或者多質(zhì)點(diǎn)剪切模型等傳統(tǒng)動力分析模型所無法反映的。

(2)底層樓面與屋面的絕對加速度、位移時(shí)程反應(yīng)基本是同波形、同相位,上部結(jié)構(gòu)的層間位移很小。由此可見,隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層,上部結(jié)構(gòu)的振動基本為整體水平平動。而傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的位移模式是剪切型。

(3)由于本工程層高較大,長寬比較大,且局部為2層結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)不大對稱,BIS與ANSYS的計(jì)算結(jié)果存在一定的差異。采用ANSYS軟件進(jìn)行地震反應(yīng)分析能夠較確切的反映建筑物在地震作用下的三維反應(yīng),便于全面地分析各個(gè)構(gòu)件、各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地震反應(yīng),具有較大的優(yōu)越性,并能滿足一定的精度要求。這是采用傳統(tǒng)剪切模型所無法反映的,因此,對重要的或規(guī)范沒有明確規(guī)定的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行三維時(shí)程響應(yīng)分析。同時(shí),在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣和應(yīng)用有限元分析方法對提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋、方便施工、降低工程造價(jià)等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]唐家祥,劉再華.建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1993.

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

[3]Skinner R I,Robinson W H,Mcverry G H.工程隔震概論[M].謝禮立,周雍年,趙興權(quán),譯.北京:地震出版社,1996.

[4]GB 50011-2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[5]日本免震構(gòu)造協(xié)會編.圖解隔震結(jié)構(gòu)入門[M].葉列平,譯.北京:科學(xué)出版社,1998.

[6]尚曉江,蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動力分析方法與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.