任小朋,孫華忠

(1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 成都 610500;2.中國(guó)有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司,河南 鄭州 450000)

多層框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震有限元分析

任小朋1,孫華忠2

(1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 成都 610500;2.中國(guó)有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司,河南 鄭州 450000)

以一幢8層框架結(jié)構(gòu)的隔震建筑和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)建筑的抗震效果進(jìn)行分析對(duì)比,應(yīng)用ABUQUS軟件建立框架計(jì)算模型,分別采用普通疊層橡膠支座(RB)和鉛芯橡膠支座(LRB)作為隔震裝置的基礎(chǔ)隔震2種隔震抗震方案,對(duì)其框架結(jié)構(gòu)模型的底部輸入El-centro形地震波.分析結(jié)果表明,RB方案與LRB方案的抗震效果均優(yōu)于傳統(tǒng)方案,且RB方案抗震效果略好于LRB方案.

框架結(jié)構(gòu);基礎(chǔ)隔震;地震波;有限元分析

0 引 言

傳統(tǒng)的建筑抗震設(shè)計(jì)只能保證結(jié)構(gòu)本身具有足夠的強(qiáng)度、剛度和延性,其弊端是:一方面,沒有塑性變形能力的結(jié)構(gòu)遭受大地震時(shí),容易發(fā)生脆性破壞,造成人員傷亡;另一方面,有一定柔性的結(jié)構(gòu)可以保證人身安全,但發(fā)生震災(zāi)后也會(huì)造成結(jié)構(gòu)傾斜,以致地震后不能維持其功能.建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)將從根本上克服傳統(tǒng)方法的不足[1].近20年來(lái),現(xiàn)代隔震技術(shù)在土木工程中得到了較大規(guī)模的應(yīng)用[2].其中,基礎(chǔ)隔震通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)基本周期,達(dá)到消耗地震輸入能量,從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),其比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震效果具有更好的抗震性能[3].目前,疊層橡膠墊隔震裝置和鉛芯疊層橡膠支座這2種隔震抗震裝置在框架結(jié)構(gòu)抗震中具有一定的優(yōu)勢(shì).本研究采用有限元軟件ABAQUS對(duì)這2種抗震方案進(jìn)行分析并比較,為框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)隔震抗震設(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)參考.

1 基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模型建立

1.1 基礎(chǔ)隔震研究思路

利用有限元方法分析基礎(chǔ)隔震,計(jì)算模型主要采用以梁?jiǎn)卧獮榛締卧獎(jiǎng)澐值臄?shù)值模型.以梁?jiǎn)卧獮橛?jì)算基本單元有著非常明顯的優(yōu)點(diǎn),計(jì)算簡(jiǎn)便,耗時(shí)少,準(zhǔn)確性更高,并且梁?jiǎn)卧诜治鲞^(guò)程中將忽略截面形狀,直接使用截面屬性上的特征量來(lái)分析梁?jiǎn)卧系膽?yīng)力.此外,由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件的不足,分析只局限分析框架結(jié)構(gòu)的線性響應(yīng),而不考慮非線性條件,同時(shí)采用等效方法[4]將鋼筋混凝土材料等效為一種橫觀各向異性材料,大大減少了計(jì)算.

本研究分析基礎(chǔ)隔震的支座采用普通疊層橡膠支座(RB)和鉛芯疊層橡膠支座(LRB),在ABAQUS中該2種橡膠支座近似等效為彈簧單元,則2種支座僅在彈簧單元等效剛度的計(jì)算以及剛度上有所區(qū)別.另在地震波的施加上,采取地震加速度,并且僅分析0～1 s內(nèi)的地震波對(duì)建筑的影響.分析假定地基為剛性基礎(chǔ),隔震裝置RB和LRB均為線性元件,整個(gè)研究均不涉及非線性部分討論.

1.2 有限元分析對(duì)象

本研究以一8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓作為有限元分析對(duì)象,該建筑物層高為,第一層4.0 m,第二層至第8層均為3.6 m;框架柱截面尺寸為,1～2層0.55×0.55 m2,3～4層0.50×0.50 m2,5～8層0.45×0.45 m2,混凝土編號(hào)為C30;樓層梁斷面為,0.25×0.65 m2,走道梁斷面為0.25×0.40 m2,混凝土編號(hào)也為C30.建筑結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示.

圖1 建筑結(jié)構(gòu)平面圖

1.3 材料等效計(jì)算處理

模擬對(duì)象為一棟8層樓的鋼筋混凝土樓房,采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模,其計(jì)算模型如圖2所示.

圖2 2種結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算模型

由于不能像建立實(shí)體單元模型那樣將鋼筋作為實(shí)體插入梁柱構(gòu)件內(nèi)部,因此需要對(duì)材料的性質(zhì)進(jìn)行等效,等效計(jì)算結(jié)果為,=4 007 g/cm3[5].對(duì)于疊層橡膠支座,不考慮水平變形,不計(jì)入支座的抗彎作用和軸向變形,僅考慮水平剪切作用,采用彈簧單元代替橡膠支座,經(jīng)過(guò)計(jì)算可得等效的彈簧單元?jiǎng)偠葹?RB,KR=756 KN/m;LRB,K1=4 158 KN/m[6].

1.4 地震波數(shù)據(jù)

地震波是以在基底上施加地震波加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在地震波的施加中,僅取0～1 s的地震波進(jìn)行研究(見圖3),并將地震波劃分為100份,每0.01 s具有一個(gè)幅值[7-8].

圖3 地震波的選取

1.5 2D建模并運(yùn)算

本研究采用2D建模,取其正面采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行運(yùn)算分析.2D建模側(cè)面圖如圖4所示.

圖4 側(cè)面2D建模圖

2 結(jié)果分析

為了便于比較,對(duì)于模型分別考慮:采用普通疊層橡膠支座隔震(RB方案)、鉛芯橡膠支座隔震(LRB方案)及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案;采用El-centro(N-S,1940)波如圖3,其卓越周期為0.55 s左右;取2D側(cè)面中右上角一點(diǎn)作為集,根據(jù)其運(yùn)算結(jié)果歷程分析中的最大加速度響應(yīng)和最大層間位移值比較來(lái)進(jìn)行結(jié)果分析.

2.1 最大加速度響應(yīng)分析與比較

1)X軸方向.X軸方向3種方案的加速度響應(yīng)如圖5所示.

圖5 X軸方向3種方案的加速度響應(yīng)

2)Y軸方向.Y軸方向3種方案的加速度響應(yīng)如圖6所示.

圖6 Y軸方向3種方案的加速度響應(yīng)

3)加速度響應(yīng)比較.根據(jù)圖5、6數(shù)據(jù)得到3種方案加速度響應(yīng)比較如表1所示.

表1 3種方案加速度響應(yīng)比較/(m/s2)

從表1數(shù)據(jù)可知,3種方案中,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震方案所取集的加速度最大,RB普通疊層橡膠支座方案的加速度最小,即RB方案效果最佳.

2.2 最大層間位移變形分析與比較

1)X軸方向.X軸方向3種方案的層間位移變形如圖7所示.

圖7 X軸方向3種方案的位移

2)Y軸方向.Y軸方向3種方案的層間位移變表如圖8所示.

圖8 Y軸方向3種方案的位移

3)位移變形比較.根據(jù)圖7、8數(shù)據(jù)得到3種方案的層間位移變形比較如表2所示.

表2 3種方案位移變形比較/(m)

從表2數(shù)據(jù)可知,3種方案中,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震方案所取集的位移最大,RB普通疊層橡膠支座方案的位移最小,即RB方案效果最佳.

3 結(jié) 語(yǔ)

1)與傳統(tǒng)抗震方案比較,RB隔震方案可以大大降低建筑物上部結(jié)構(gòu)的最小層間變形及加速度、位移響應(yīng),建筑物上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)近似于剛體運(yùn)動(dòng),能夠保證結(jié)構(gòu)在地震作用下上部結(jié)構(gòu)均處于彈性,降低了結(jié)構(gòu)的地震慣性力.

2)采用LRB隔震方案,從建筑物上部結(jié)構(gòu)的最小層間變形和加速度響應(yīng)看,較之傳統(tǒng)方案要小得多.在地震時(shí),LRB隔震方案即普通疊層橡膠支座隔震方案的隔震墊能夠產(chǎn)生柔性變形,可大大減弱水平地震影響.

3)通過(guò)結(jié)果分析可知,RB方案與LRB方案,均優(yōu)于傳統(tǒng)方案,且RB方案的效果比LRB方案略好.

[1] 張述勇.結(jié)構(gòu)抗震基本知識(shí)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

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Finite Element Analysis of Base Isolation of Multilayer Frame Structure

REN Xiaopeng1,SUN Huazhong2
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.The No.6 Metallurgical Construction Co.,Ltd.,China Nonferrous Metals Industry,Zhengzhou 450000,China)

The latest building seismic design code includes the isolation structure design.The further research on the base isolation standardization process of building structure becomes the development trend of the future building seismic design.In this paper,time-history analysis method was used to analyze the multilayer frame isolation building in the earthquake under the action of seismic effect.We analyzed and compared seismic effects for both the actual isolated building of eight-layer frame structure and the traditional seismic building,and established the framework computing model by ABUQUS software.The ordinary laminated rubber bearing(RB)and lead core rubber bearings(LRB)were taken respectively as the basic seismic isolation scheme and then El-centro seismic wave was imported into the bottom of the frame structure model.The analytical results about seismic performance show that both RB and LRB schemes are superior to traditional scheme and RB scheme is slightly better than LRB.

frame structure;base isolation;seismic wave;finite element analysis

TU352.12

A

1004-5422(2013)01-0075-03

2012-12-20.

任小朋(1981—),男,碩士研究生,從事工程結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)研究.