趙士永,李旭光

(1.天津天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072;2.河北省建筑科學(xué)研究院,石家莊 050021;3.河北建研科技有限公司,石家莊 050021)

砌體結(jié)構(gòu)并聯(lián)復(fù)合隔震建筑有限元分析

趙士永1,2,李旭光3

(1.天津天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072;2.河北省建筑科學(xué)研究院,石家莊 050021;3.河北建研科技有限公司,石家莊 050021)

本文以某六層砌體橡膠隔震支座與摩擦滑移支座的并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)為例,運(yùn)用有限元分析程序,對該建筑的一般抗震結(jié)構(gòu)和并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了地震作用下的有限元時(shí)程分析,結(jié)果顯示:并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)能夠降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),提高建筑物的抗震能力,有明顯的隔震、減震效果。

并聯(lián)復(fù)合隔震;有限元分析;砌體結(jié)構(gòu);時(shí)程分析

0 引言

基礎(chǔ)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)面(或底部柱頂)之間設(shè)置隔震裝置(隔震層)而形成的體系?，F(xiàn)在研究和應(yīng)用較多的有夾層橡膠墊隔震技術(shù)和摩擦滑移隔震技術(shù)。并聯(lián)復(fù)合隔震技術(shù)作為一種新型的建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)在我國土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)是由夾層橡膠支座與摩擦滑移支座2種隔震元件并聯(lián)組合在一起作為隔震層的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)。夾層橡膠支座通過減小隔震層剛度,延長結(jié)構(gòu)的自振周期,從而避開場地的卓越周期,達(dá)到隔震的效果;摩擦滑移支座則是通過隔震層與基礎(chǔ)的相對滑動,以摩擦的形式來耗散地震能量。并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了2種隔震支座各自的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)有效地限制了各自的缺點(diǎn),既能提供足夠的彈性恢復(fù)力,又具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)耗能能力,從而達(dá)到良好的隔震效果。本文利用有限元程序?qū)Σ⒙?lián)復(fù)合隔震砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,選取某一砌體房屋作為算例,對計(jì)算模型進(jìn)行動力時(shí)程分析。

1 并聯(lián)復(fù)合隔震體系力學(xué)模型

并聯(lián)復(fù)合隔震體系隔震層是由橡膠隔震支座和摩擦滑移隔震支座并聯(lián)復(fù)合而成的,剛度為2種支座水平剛度的線性疊加,隔震層在滑動前的水平剛度為kf+ks,滑動后的剛度為橡膠隔震支座的剛度ke。因此并聯(lián)復(fù)合隔震體系隔震層滯回模型,在保證一定精度的前提下,可簡化為如圖1所示的雙線性滯回曲線模型。

圖1 并聯(lián)復(fù)合隔震體系恢復(fù)力模型

并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一是隔震層的參數(shù)選擇。由于橡膠隔震支座的力和位移關(guān)系一般可以假定為彈性關(guān)系,而摩擦滑移隔震支座的力和位移關(guān)系則是塑性關(guān)系。并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)隔震層的力和位移關(guān)系是非線性的,2種隔震支座比例的變化也可導(dǎo)致隔震層的非線性性能的變化。并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)影響隔震層隔震性能的一個(gè)重要參數(shù)是摩擦承壓比λ。這種隔震參數(shù)的選擇影響到隔震裝置的總體造價(jià),隔震結(jié)構(gòu)的自振周期、阻尼的大小,結(jié)構(gòu)的地震加速度、位移反應(yīng)等。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

本文選用某砌體并聯(lián)復(fù)合隔震建筑為例,利用有限元軟件SAP2000對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,該結(jié)構(gòu)為磚混隔震結(jié)構(gòu)六層住宅樓,二類場地,設(shè)防烈度為8度(0.20g)。隔震層設(shè)于建筑物基礎(chǔ)頂部,將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分開。本工程根據(jù)建筑平面形式選擇了多種不同的隔震方案,并對各種方案進(jìn)行隔震效果及經(jīng)濟(jì)性分析,最終確定合理的隔震方案。該并聯(lián)復(fù)合隔震建筑重力荷載代表值為38416kN。在建造該工程前,設(shè)計(jì)者共設(shè)計(jì)研究了3個(gè)方案,并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析?？紤]綜合因素最終選為并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu),43個(gè)隔震支座中29個(gè)為橡膠隔震支座,其余的為摩擦滑移支座,摩擦承壓比λ=0.304,用橡膠支座剛度計(jì)算的結(jié)構(gòu)的自振周期為1.88s。

圖2 并聯(lián)復(fù)合隔震支座布置圖

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)輸入的地震動采用EI Centrol波,它是典型的二、三類場地的地震記錄,特征周期為0.3～0.4s,加速度峰值達(dá)到341cm/s,記錄時(shí)間長度為30s,本文時(shí)程分析時(shí)將地震波輸入峰值相應(yīng)調(diào)整為8度設(shè)防烈度對應(yīng)值。

根據(jù)本工程參數(shù)建立三維的有限元并聯(lián)復(fù)合隔震模型,樓板采用殼單元模擬,砌體墻也采用殼單元,計(jì)算荷載按重力荷載代表值對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,模型如圖3。

圖3 并聯(lián)復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)的有限元模型

3 算例結(jié)果及分析

3.1 結(jié)構(gòu)的自振周期

對于傳統(tǒng)的砌體抗震體系,結(jié)構(gòu)的基本周期較短,結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)是通過對結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行調(diào)整,使建筑的自振周期延長,遠(yuǎn)離地震的卓越周期,以降低結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)(表1)。

表1 兩種結(jié)構(gòu)體系的自振周期

從表1可以看出,隔震結(jié)構(gòu)基本自振周期為抗震結(jié)構(gòu)的5倍。這樣就避開了地震動輸入的共振頻率段,大大減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.2 結(jié)構(gòu)的層間剪力

由圖4可得出,在并聯(lián)復(fù)合隔震建筑中各樓層剪力反應(yīng)要比抗震結(jié)構(gòu)小的多。

基底剪力系數(shù)是指基底所受剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的比值,它反映出結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)能力。

圖4 上部結(jié)構(gòu)層間剪力分布

通過有限元分析,抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)在8度設(shè)防地震作用下基底剪力系數(shù)(表2)。

表2 兩種結(jié)構(gòu)體系的基底剪力系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明,隔震結(jié)構(gòu)的底部剪力反應(yīng)大大低于非隔震結(jié)構(gòu)的底部剪力反應(yīng),隔震結(jié)構(gòu)的地震作用約為非隔震結(jié)構(gòu)的1/7。

3.3 樓層位移分析和層間加速度分析

從結(jié)構(gòu)的變形曲線可看出,非隔震結(jié)構(gòu)的變形曲線是典型的剪切型曲線,在地震作用下,上部結(jié)構(gòu)的層間位移大,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開裂和破壞。隔震結(jié)構(gòu)的位移主要集中在隔震層,而上部結(jié)構(gòu)的層間變形非常小,使結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài),從而保證結(jié)構(gòu)的完好無損。此外抗震結(jié)構(gòu)依靠結(jié)構(gòu)自身的變形能力耗散地震能量,而隔震結(jié)構(gòu)依靠隔震墊的變形消耗地震能。由計(jì)算結(jié)果比較,隔震結(jié)構(gòu)的加速度和速度反應(yīng)明顯小于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu),減震效果明顯。由地震波作用下的加速度時(shí)程曲線可以看出,隔震結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗震結(jié)構(gòu),減震效果明顯。

圖5 上部結(jié)構(gòu)樓層位移

圖6 上部結(jié)構(gòu)樓層加速度

圖78 度設(shè)防烈度EL Centro波作用下模型絕對加速度反應(yīng)時(shí)程

3.4 隔震層滯回曲線

由圖8可看出,由普通橡膠隔震墊和摩擦滑移隔震墊組成的并聯(lián)隔震層具有很好的滯回特性,滯回環(huán)豐滿,耗能能力強(qiáng),這就意味著結(jié)構(gòu)反應(yīng)將大大減少,從而有效地保護(hù)了上部結(jié)構(gòu),使其不再受到損傷或破壞。此滯回曲線明顯為雙線性滯回模型,與理論推導(dǎo)基本一致。

4 結(jié)論

圖8 隔震層滯回曲線

本文利用有限元方法對某六層砌體結(jié)構(gòu)的抗震體系和并聯(lián)復(fù)合隔震體系2種方案進(jìn)行了對比分析,2種結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的有限元時(shí)程分析結(jié)果表明,采用基礎(chǔ)并聯(lián)隔震體系可以有效降低上部結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng),隔離地震動向上部結(jié)構(gòu)的能量傳遞,延長結(jié)構(gòu)周期,避開地震動輸入的共振頻率段。上部結(jié)構(gòu)的位移、絕對加速度、層間剪力也大幅度降低,提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力,保證了結(jié)構(gòu)的安全,同時(shí)也保證了地震時(shí)建筑物自身及其靈敏設(shè)備和內(nèi)部裝修的安全和正常使用,減小了上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制。

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The FEM Analysis of Parallel Composite Isolation System Masonry Construction

ZHAO Shi-yong1,2,LI Xu-guang3
(1.School of Architecture and Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;
2.Hebei Academy of Building Research,Shijiazhuang 050021,China;
3.Hebei Building Research Engineering Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050021,China)

This article made an analysis of a six-layered parallel composite isolation system masonry building by finite-element method.The building is composite isolation system composed of rubber isolation bearing and silde isolation bearing.The contrast of the time history analysis results of fundation-fixed system and the parallel composite isolation system prove that this isolation system can reduce the seismic response of upper structures and enhance the aseismic capability of the buildings.

parallel composite seismic;finite-element analysis;masonry construction;time history analysis

TU352

A

1003-1375(2011)02-0023-04

2010-09-18

趙士永(1974-),男(漢族),河北定州人,博士研究生,高級工程師,主要從事結(jié)構(gòu)防震減災(zāi),建筑結(jié)構(gòu)檢測、鑒定,改造設(shè)計(jì)和加固工作.E-mail:13673238633@139.com