張 彬，蘇 鵬，于冬冬

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

0 引言

在已有的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和研究中，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法的不確定性將帶來不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)抗震技術(shù)有著很多的不足，所以人們開始對(duì)結(jié)構(gòu)的隔震、減震進(jìn)行較為深入的研究，因此一種新的工抗震結(jié)構(gòu)體系概念和機(jī)理應(yīng)時(shí)而生。層間隔震結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋蟛糠值卣鹉芰课眨诟粽饘咏Y(jié)構(gòu)上產(chǎn)生大量的形變，并較少的能量傳遞給結(jié)構(gòu)，能夠起到保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)的作用，并且能夠有效的加固了建筑，使建筑物損壞程度降低，這使得層間隔震框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展更加迅速應(yīng)用更加廣泛。大量工程實(shí)踐證明，工程結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)是工程結(jié)構(gòu)減震防災(zāi)的有效手段。

1 層間隔震模型

層間隔震動(dòng)力分析計(jì)算模型［1-3］:

(1)兩質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型。兩質(zhì)點(diǎn)模型是把相對(duì)于隔震層之上的結(jié)構(gòu)和相對(duì)于隔震層以下的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，這樣就可以得到兩質(zhì)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)構(gòu)模型。兩質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型形式比較簡(jiǎn)單，適用于結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析。

(2)三質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型。三質(zhì)點(diǎn)模型是將相對(duì)于隔震層以上的結(jié)構(gòu)和相對(duì)于隔震層本身以及相對(duì)隔震層以下的結(jié)構(gòu)分別簡(jiǎn)化，作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)而得出三個(gè)質(zhì)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)構(gòu)模型。

(3)多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型。多質(zhì)點(diǎn)模型是把整體結(jié)構(gòu)的每一層視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)而得到多個(gè)質(zhì)點(diǎn)計(jì)算結(jié)構(gòu)模型。多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型能夠比較直觀并且相對(duì)準(zhǔn)確地反映出整體結(jié)構(gòu)的地震反映，多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型在層間隔震的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相對(duì)比較適用，更特別適用于整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析。

橡膠支座的豎向剛度在地震作用的情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠支座的水平剛度，因此可以見到的假設(shè)結(jié)構(gòu)只作水平運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以忽略不計(jì)結(jié)構(gòu)的豎向剛度所引起的擺動(dòng)。在工程實(shí)踐中，多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型和兩質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化如圖1所示。

圖1 多質(zhì)點(diǎn)和兩質(zhì)點(diǎn)的簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of multi particle and two particle

層間隔震結(jié)構(gòu)以隔震層作為整體結(jié)構(gòu)的分界線，將整體結(jié)構(gòu)分為上下2個(gè)子結(jié)構(gòu)(圖2)。設(shè){X1}為整體結(jié)構(gòu)的下部子結(jié)構(gòu)的位移，{X2}作為整體結(jié)構(gòu)的上部子結(jié)構(gòu)的位移，xs作為下部子結(jié)構(gòu)的頂層位移，xb作為上部子結(jié)構(gòu)的底層位移，結(jié)構(gòu)1的位移矢量為。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Calculation diagram of structural

2 地震波的調(diào)整

在選取地震波時(shí)，需要考慮三個(gè)地震動(dòng)的要素，并對(duì)這三個(gè)要素進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)場(chǎng)地的具體情況對(duì)所選取的地震波進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)《抗震規(guī)范》，地震記錄中所進(jìn)行的調(diào)解峰值得出的地震動(dòng)的最大加速度時(shí)程按表1選用［4］。

表1 加速度峰值的地震時(shí)程曲線(cm/s2)Table 1 Seismic peak acceleration time curve(cm/s2)

(2)地震動(dòng)的譜特征。在強(qiáng)烈的地震作用下，場(chǎng)地的地表面運(yùn)動(dòng)的卓越周期相對(duì)來說比較接近該場(chǎng)地的特征周期，所以，在選取地震波時(shí)，地震波的傅里葉譜、特征周期和譜形狀要與所選場(chǎng)地的譜特征保持一致。

場(chǎng)地的特征周期的選用(表2)。

表2 特征周期表(s)Table 2 Characteristics Periodic Table(s)

圖3 調(diào)整后地震波的加速度時(shí)程曲線Fig.3 Adjusted seismic acceleration time curve

(3)地震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。在選取的地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間時(shí)要遵循兩個(gè)原則:①記錄中最強(qiáng)的部分必須包括在所選擇的持續(xù)時(shí)間中;②持續(xù)的時(shí)間為t≥10T1，T1是結(jié)構(gòu)基本周期，其數(shù)值不能小于12s。

本文選用EL-Centro波和Taft波(圖3)，這將此兩種地震波作用于二類場(chǎng)地，符合要求。

3 計(jì)算模型

采用SAP2000有限元軟件，模擬一個(gè)五層的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，分別在結(jié)構(gòu)的不同位置建立五個(gè)隔震層的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和一個(gè)普通結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)模型，對(duì)設(shè)置有層間隔震的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和普通的抗震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析，比較分析在設(shè)置不同位置隔震層時(shí)，對(duì)振型周期和參考系數(shù)的影響(圖4)。

圖4 三維結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Three-dimensional structural model

3.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

通過SAP2000的軟件的模擬分析，在前兩階模態(tài)下普通抗震結(jié)構(gòu)的振型為下部結(jié)構(gòu)有較小的變形，然而上部變形則相對(duì)較大。在前兩階段模態(tài)下，層間隔震結(jié)構(gòu)的振型主要是兩個(gè)水平方向的平移，在隔震層之上的結(jié)構(gòu)近似整體平移，第三階模態(tài)的振型則主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)。

假設(shè)mu為隔震層以上的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，md為隔震層以下的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，μ=mu/md為質(zhì)量比。根據(jù)質(zhì)量比得出結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律:當(dāng)在一層柱底設(shè)置隔震層時(shí)，質(zhì)量比則為無窮大，普通抗震結(jié)構(gòu)則認(rèn)為隔震層的位置在屋頂，并且普通抗震結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比為0，層間隔震結(jié)構(gòu)和普通抗震結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比(表3)。

表3 隔震結(jié)構(gòu)和普通抗震結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比Table 3 Seismic isolation structure and the general structure of the mass ratio

根據(jù)《抗震規(guī)范》，不設(shè)置隔震層時(shí)，主軸方向所要求的基本周期小于1.0s。本文的結(jié)構(gòu)所選取的兩個(gè)方向的自振周期均小于0.91s和0.89s，符合規(guī)范要求。普通抗震模型在X方向的前三階數(shù)據(jù)變化(表4)。

表4 X方向模型前三階數(shù)據(jù)Table 4 The first three data models of X direction

3.2 層間隔震的剪力分析

結(jié)構(gòu)的層間剪力是建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能重要衡量指標(biāo)，各層所承受的地震剪力值直接影響著層間隔震結(jié)構(gòu)的減震效果。在既有的兩條地震波下進(jìn)行地震時(shí)程分析，分別得出普通抗震結(jié)構(gòu)的最大剪力值和層間隔震結(jié)構(gòu)五個(gè)模型的各層的最大剪力值。驗(yàn)證后得出，兩個(gè)水平方向的地震反應(yīng)有相同的地震規(guī)律。所以本文中只列出了X方向的分析數(shù)據(jù)。EICentro波作用下，X方向的普通抗震結(jié)構(gòu)模型的剪力值(表5)，EI-Centro波在強(qiáng)度等級(jí)為7的多遇地震作用下，X方向的各隔震結(jié)構(gòu)模型的剪力值(表6)。

表5 EI-Centro波X方向剪力值數(shù)據(jù)表Table 5 EI-Centro wave X direction shear value data table

Taft波在強(qiáng)度等級(jí)為7的多遇地震作用下，X方向的普通抗震結(jié)構(gòu)模型的剪力值和減震率如表7，Taft波在多遇地震作用下，X方向的各層間隔震結(jié)構(gòu)模型的剪力值和減震率如表8。

表6 EI-Centro波X方向剪力值和減震率數(shù)據(jù)表Table 6 EI-Centro wave X direction shear force values and the damping rate data table

表7 Taft波X方向剪力值數(shù)據(jù)表Table 7 Taft wave X direction shear value data table

由表8的數(shù)據(jù)看出，在地震作用下的層間隔震結(jié)構(gòu)與普通抗震結(jié)構(gòu)相比，各層的剪力都明顯的減小了，層間隔震結(jié)構(gòu)中第一層的剪力值有最明顯減小，多遇地震作用下的普通抗震結(jié)構(gòu)剪力值為4658.85kN，隔震結(jié)構(gòu)中的最大剪力值為1951kN，大大減小了結(jié)構(gòu)樓層的受力，提高結(jié)構(gòu)抗震效果。

表8 Taft波X方向剪力值和減震率數(shù)據(jù)表Table 8 Taft wave X direction shear values and damping rate data table

對(duì)于不同的層間隔震結(jié)構(gòu)而言，減震效果也不同，當(dāng)隔震層設(shè)置在1～3層時(shí)，所受的剪力值沒有明顯的差別，當(dāng)隔震層上移到4層和5層時(shí)，減震率明顯的下降。通過對(duì)比分析得出，當(dāng)隔震層設(shè)置在3層以下時(shí)具有較好的抗震效果，而且它們的減震效果也非常接近。當(dāng)隔震層在4層以上時(shí)比3層以下的減震效果相對(duì)差一些。為了更好的進(jìn)行對(duì)比，層間所受的最大剪力值和減震率繪制成包絡(luò)圖(圖5)。

圖5 各樓層在地震作用下的最大剪力值Fig.5 Each floor under earthquake of maximum shear force values

設(shè)置不同位置的隔震時(shí)各結(jié)構(gòu)層間剪力減震率曲線如圖6所示。

圖6 各結(jié)構(gòu)層間剪力減震率曲線Fig.6 Each structural damping interlayer shear rate curve

從圖6中可以看出，當(dāng)隔震層向上移時(shí)，樓層的剪力則會(huì)降低，當(dāng)隔震層設(shè)置在四，五層時(shí)有明顯下降趨勢(shì)。說明當(dāng)隔震層位置設(shè)置越低，結(jié)構(gòu)有越好的減震效果。隔震層設(shè)置在1～5層時(shí)，隔震層所在樓層的減震率增大，說明隔震層所在樓層有特殊的減震作用。

3.3 層間隔震結(jié)構(gòu)位移變化分析

由樓層剪力分析可知，隔震層設(shè)置位置的不同，結(jié)構(gòu)的減震效果有明顯的差異，隔震層的設(shè)置位置越低，則樓層所受的剪力越小，減震率就越大，減震效果就越好。根據(jù)材料特性可知，當(dāng)抗震構(gòu)件的數(shù)量一定，構(gòu)件的截面面積不變時(shí)，抗剪構(gòu)件就有越小的剪切變形。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的地震時(shí)程分析，對(duì)最大層間位移進(jìn)行分析，分析得出的在強(qiáng)度等級(jí)為7多遇地震時(shí)，位移數(shù)據(jù)如表9，減震率如表10。

表9 多遇地震作用下X方向各結(jié)構(gòu)模型的最大層間位移Table 9 Under frequent earthquake structural model of the X-direction maximum story drift

表10 多遇地震作用下X方向各結(jié)構(gòu)模型的樓層減震率Table 10 Under frequent earthquake structural model of the X-direction of the damping rate of the floor

由表9可知，隔震層所在樓層產(chǎn)生的剪切位移很大，而其它樓層的位移則都非常小，小于普通抗震結(jié)構(gòu)的位移。這說明隔震層吸收地震所產(chǎn)生的大部分能量，不但減小了下部結(jié)構(gòu)的層間位移，也阻礙了由于地震產(chǎn)生的能量傳遞給結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)，有明顯的保護(hù)作用。當(dāng)隔震層設(shè)置的位置改變時(shí)，每個(gè)結(jié)構(gòu)模型的位移反應(yīng)也不同，隔震層隨著位置不斷上移時(shí)，隔震層的位移明顯的下降，除隔震層外的層間位移有規(guī)律的發(fā)生變化。隔震層設(shè)置的位置越高，隔震層之外的其它樓層的層間位移也就越大。因此可以總結(jié)為，隔震層的設(shè)置位置越高，質(zhì)量比越小，隔震層所在樓層的位移也就減小，除隔震層以外樓層的位移相應(yīng)增大。

不同結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的屋頂?shù)奈灰谱兓鐖D7，在地震作用下，當(dāng)隔震層設(shè)置在建筑的中間位移時(shí)，屋頂?shù)奈灰茣?huì)變小，特別是在第三層柱底時(shí)，結(jié)構(gòu)屋頂?shù)奈灰谱钚　?/p>

圖7 各結(jié)構(gòu)模型屋頂位移的變化Fig.7 The roof of the structure model of change of displacement

4 結(jié)論

(1)層間隔震結(jié)構(gòu)可以隔震結(jié)構(gòu)的基本周期增大，使結(jié)構(gòu)的減震效果提高，并且隨著隔震層設(shè)置的位置增高，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期也隨之減小。

(2)層間隔震結(jié)構(gòu)與普通抗震結(jié)構(gòu)相比，無論隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)的位置如何，都會(huì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的第一周期。隔震層設(shè)置的位置越低時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)的基本周期就越大，所以結(jié)構(gòu)的減震效果就會(huì)越好。

(3)當(dāng)隔震層的設(shè)置位置向上移動(dòng)時(shí)，各樓層的減震效果有所降低，這就說明了層間隔震結(jié)構(gòu)在設(shè)置較低的隔震層時(shí)，結(jié)構(gòu)具有越好的減震效果。但是，當(dāng)隔震層的位置較低時(shí)，隔震裝置所在的樓層的位移就最大，隨著隔震層位置的向上移動(dòng)，隔震層的層間位移則相應(yīng)的減小，與此同時(shí)，除隔震層以外的其它樓層的層間位移隨之不斷增加。

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