丁偉偉，干　洪

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥　230601；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖　241000)

?

框架結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)的應(yīng)用及其經(jīng)濟(jì)性分析

丁偉偉1，干洪2

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230601；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖241000)

摘要：文章以某棟框架結(jié)構(gòu)為例，采用大型有限元分析軟件SAP2000分別對(duì)其建立傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)、普通疊層橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)和鉛芯橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)模型，通過在罕遇地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，得出3種結(jié)構(gòu)的樓層加速度、樓層剪力和層間位移反應(yīng)，并進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，該框架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用鉛芯橡膠隔震支座時(shí)隔震設(shè)計(jì)效果明顯，采用鉛芯橡膠支座結(jié)構(gòu)具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)隔震；鉛芯橡膠支座；經(jīng)濟(jì)性

1結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程

基礎(chǔ)隔震技術(shù)就是通過在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，以此延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，阻止地震能量向上部傳遞，減小地震作用，實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生較輕微的運(yùn)動(dòng)和變形，保障建筑物安全[1-2]。

目前，我國(guó)總共有400多棟隔震建筑，特別是2008年汶川大地震后，隔震技術(shù)被廣泛應(yīng)用到新建工程中[3]。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，可將每層質(zhì)量集中于每層樓板上，而把整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向承重構(gòu)件合并成1根總的豎向桿，每2個(gè)樓層之間只產(chǎn)生相對(duì)位移。當(dāng)只考慮橫向構(gòu)件的剪切變形時(shí)，n層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的層間模型計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1(b)所示。

圖1　多質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)體系基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

該結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程[4-5]如下：

其中，RNL(t)為非線性單元力總和的整體節(jié)點(diǎn)力向量；R(t)為節(jié)點(diǎn)的外部荷載；M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；C為比例阻尼矩陣；K為彈性剛度矩陣。具體動(dòng)力方程求解過程可以參考文獻(xiàn)[6-8]。

2隔震支座選型

鉛芯橡膠支座是在普通疊層橡膠支座的中心插入鉛芯，以改善橡膠支座阻尼性能的一種隔震支座；普通疊層橡膠支座是一種由連接板、橡膠層和加勁鋼板組成的隔震支座[9-10]。根據(jù)規(guī)范，隔震支座的豎向平均壓應(yīng)力限值不應(yīng)超過15 MPa，通過表1選出相應(yīng)的隔震支座以及支座設(shè)置位置[11]。

表1　橡膠支座的主要性能參數(shù)

3算例

本文以合肥安得物流6層框架結(jié)構(gòu)辦公樓為例，采用大型有限元軟件SAP200建立模型，如圖2所示。總高度為18 m，底部柱網(wǎng)尺寸為5 m×4 m，柱截面尺寸為600 mm×500 mm,500 mm×500 mm,板厚為120 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，丙類建筑。抗震設(shè)防烈度為8度。

根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，該地區(qū)設(shè)計(jì)地震分組為第2組，樓面活荷載及屋面活荷載取3 kN/m2。

圖2　抗震結(jié)構(gòu)模型

(1) 結(jié)構(gòu)自振特性分析。運(yùn)用SAP2000[12]分別對(duì)傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)及3種不同類型隔震支座的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，其前12階自振周期見表2所列。由表2可以得出，與抗震結(jié)構(gòu)相比，隔震結(jié)構(gòu)的自振周期得到了較大程度的提高，前3階周期是抗震結(jié)構(gòu)的2.78～3.33倍。

表2　前12階振型周期對(duì)比　s

表2中，結(jié)構(gòu)1為疊層橡膠支座結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)2為鉛芯疊層橡膠支座結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)3為高阻尼橡膠支座結(jié)構(gòu)。

(2) 樓層加速度。樓層加速度對(duì)比見表3和圖3所示，可見在罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)相對(duì)加速度比抗震結(jié)構(gòu)減少了43.78%～49.74%，高阻尼橡膠支座結(jié)構(gòu)和鉛芯橡膠支座結(jié)構(gòu)的樓層加速度相差很小。

表3　樓層相對(duì)加速度　　　　　　　m/s2

圖3El-Centro波作用下樓層相對(duì)加速度對(duì)比

(3) 層間位移。層間位移對(duì)比分析見表4和圖4所示，在罕遇地震作用下，疊層橡膠支座結(jié)構(gòu)比抗震結(jié)構(gòu)的層間位移減少34.9%，鉛芯疊層橡膠支座減少43.4%，高阻尼疊層橡膠支座結(jié)構(gòu)減少25.1%，隔震結(jié)構(gòu)大大降低層間位移。

表4　層間位移　　　　　　　　mm

圖4El-Centro波作用下層間位移對(duì)比

(4) 樓層速度。樓層速度對(duì)比分析見表5和圖5所示，可見在罕遇地震作用下，疊層橡膠支座結(jié)構(gòu)比抗震結(jié)構(gòu)的速度減少21.5%，鉛芯橡膠支座結(jié)構(gòu)減少15.4%，高阻尼疊層橡膠支座減少16.4%。

表5　樓層速度　m/s

圖5El-Centro波作用下樓層速度對(duì)比

(5) 經(jīng)濟(jì)性分析。本文對(duì)上述3種隔震支座結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較分析，最終確定選擇哪種隔震支座結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟(jì)效益，其對(duì)比分析結(jié)果見表6所列[13-15]。

表6　不同隔震支座結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

由表6可見，鉛芯疊層橡膠隔震支座結(jié)構(gòu)增加的費(fèi)用相對(duì)較少，而減少的費(fèi)用相對(duì)又多，因此，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)地震發(fā)生后由于鉛芯疊層橡膠隔震支座結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較小的層間位移和樓層加速度，其結(jié)構(gòu)也便于修復(fù)，根據(jù)工程實(shí)踐，該建筑上部結(jié)構(gòu)在采用隔震技術(shù)后，工程總造價(jià)大約節(jié)省2%。

4結(jié)束語(yǔ)

鉛芯疊層橡膠隔震支座結(jié)構(gòu)既安全又具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，它不僅減少了上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)截面尺寸、鋼筋用量和地基處理范圍，同時(shí)簡(jiǎn)化了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接錨固，增加的費(fèi)用又相對(duì)少[16-17]，減少的材料費(fèi)用又多，且便于震后修復(fù)，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

〔參考文獻(xiàn)〕

[1]干洪,胡建安.大底盤框架結(jié)構(gòu)的減震性能分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,20(4):1-5.

[2]干洪，呂志勇.基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用及其經(jīng)濟(jì)性分析[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，28(2):1-3.

[3]楊一振.基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[D].合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院，2011.

[4]黨育，杜永峰，李慧.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[5]干洪，余龍.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的減震性能分析[J]安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012,20(3):1-5.

[6]干洪，楊一振.建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震應(yīng)用研究[J]．安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，26(1)：1-4.

[7]Park R,Paulay T.Reinforced concrete structure [M].Canada:John Wiley& Sons,Inc.1975.

[8]羅輝，干洪.考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的平面不規(guī)則大底盤單塔樓減震性能分析[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014,22(2):23-28.

[9]劉鵬飛,劉偉慶,王曙光,等.基于性能的基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)基本框架[J].四川建筑科學(xué)研究,2010, 36(4):153-157.

[10]Hsiang C T.Dynamic analysis of base-isolated shear beams bumping against stops[J].Earthquake Engineering and structural Dynamics,1997(26):515-528.

[11]吳曼林,譚 平,周福霖.大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)的隔震減震策略研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 9(2):83-89.

[12]呂志勇.不同隔震支座的隔震效應(yīng)分析對(duì)比[D].合肥：安徽建筑大學(xué),2013.

[13]Jeung G P，Hisanori O.Optimal yield level of bilinear seismic isolation devices[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1999(28):941-955.

[14]栗曾欣，董煜.隔震框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2014(1):41-44.

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

[16]王兆墚,吳應(yīng)雄.某基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].福建建筑,2013(6):6-11.

[17]朱雅紅,馮小軍,寇衛(wèi)東.隔震加固技術(shù)在框架結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用[J].工程抗震與加固改造,2012, 34(2):77-81

收稿日期：2016-03-25；修改日期：2016-04-05

作者簡(jiǎn)介：丁偉偉(1989-)，男，安徽宿州人，安徽建筑大學(xué)碩士生；

中圖分類號(hào)：TU352.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0194-03

干洪(1954-)，男，安徽廬江人，碩士，安徽工程大學(xué)教授．