張磊　　呂航　　陳章彥　　毛捷

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

隔振支座布置對(duì)多、高層框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

張磊呂航陳章彥毛捷

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

研究在相同數(shù)目的組合隔振支座不同的布置方案中結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，尋找更優(yōu)的隔振支座布置思路達(dá)到隔振支座更充分的使用。以6層和16層的框架結(jié)構(gòu)為研究模型，使用ETABS分析對(duì)多遇地震下結(jié)構(gòu)在4種不同隔振支座布置的時(shí)程分析。結(jié)果顯示，在多層建筑中將鉛芯橡膠支座布置在基礎(chǔ)的外圍能更好減少建筑的層間位移，而對(duì)層間剪力的影響很小。

框架結(jié)構(gòu)；支座布置；時(shí)程分析

1　引言

唐山、汶川地震的深痛教訓(xùn)使我國(guó)的建筑設(shè)計(jì)人員深刻意識(shí)到建筑抗震的重要性，同時(shí)也促進(jìn)隔震技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展。較以往的抗震技術(shù)，新的隔震技術(shù)更經(jīng)濟(jì)而且有具有更好的減震效果［1］。目前國(guó)內(nèi)新建的重要建筑和橋梁中很多已采用隔震技術(shù)。而在我國(guó)的隔振建筑中大多使用了隔振支座。趙大海［2］提出了不同的支座布置方案將對(duì)同一建筑產(chǎn)生不同的減震效果，如周云［3］指出支座的布置會(huì)影響隔振層的剛度中心從而進(jìn)一步影響隔振效果。所以，為達(dá)到好的減震效果，隔振支座的優(yōu)化布置很有必要。

本文采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)相同的多、高層建筑采用不同的隔振支座布置進(jìn)行動(dòng)力分析，探討更優(yōu)的隔振支座布置思路。

2　結(jié)構(gòu)概況

模擬結(jié)構(gòu)為6層和16層的框架結(jié)構(gòu)。隔振層層高1.6m，首層層高4.2m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6m。其中鋼筋混凝土梁柱使用的材料為C30混凝土和HPB300、HRB335鋼筋。除首層柱截面尺寸為800mm×800mm，其余柱截面尺寸為700 mm×700mm。主梁截面尺寸為700 mm× 300mm，次梁截面尺寸為600 mm×300mm。各樓層平面布置相同，結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在8.5級(jí)地震下的反應(yīng)，查抗震規(guī)范得結(jié)構(gòu)特征周期為Tg=0.45s，周期折減系數(shù)取0.8，地震波的輸入采用1條人工波、2條天然波和LUS波同時(shí)作用于X軸和Y軸的天然波組成。其中LUS-X+Y波作用于X軸的比例為1，作用于Y軸的比例為0.85，相反LUS-X+Y波作用于X軸的比例為0.85，作用于Y軸的比例為1。整個(gè)隔振層共設(shè)27個(gè)隔振支座，由11個(gè)疊層橡膠支座和16個(gè)鉛芯橡膠支座組成。

圖1　結(jié)構(gòu)的平面圖

鉛芯橡膠支座采用型號(hào)為L(zhǎng)RB700，豎向剛度為4148kN/mm，100%水平性 能 的等效水 平 剛度 為2496kN/m，屈服后剛度為1380kN/m，屈服力為122.7kN。疊層橡膠支座采用型號(hào)為 LNR700，豎向剛度為3641kN/mm，100%水平性 能 的等效水 平 剛度 為1350kN/m。

3　不同隔振支座布置下的效果分析

為比較隔振支座的不同布置方式對(duì)建筑的隔振效果的影響，共采用4種方案模擬不同的隔振支座布置方式，方案1將鉛芯橡膠支座布置在基礎(chǔ)外圍，方案2和方案3分別將鉛芯橡膠支座布置在基礎(chǔ)的Y軸、X軸方向，方案4將鉛芯橡膠支座布置在基礎(chǔ)3個(gè)凸出位置。四種方案布置圖見圖2。

圖2　隔振支座的布置

表1　結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期（6層）

表2　結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期（16層）

表3　多遇地震下X方向基底剪力（6層）

表4　多遇地震下Y方向基底剪力（6層）

3.1結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期

由表1和表2可以看出，在相同模態(tài)下不同的隔振支座布置方案對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期不同。其中方案1和方案4的震動(dòng)周期小于方案2和方案3。相同情況下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期越大，建筑的隔振效果越好［4］。也就是說方案1和方案4的結(jié)構(gòu)會(huì)吸收更多的地震能，會(huì)使基礎(chǔ)的剪力比方案2和方案3的大。說明將鉛芯橡膠支座布置在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)外圍會(huì)使結(jié)構(gòu)吸收更多的地震能。

另外在相同的隔振支座布置下，在6層的建筑中隔振結(jié)構(gòu)的周期比非隔振結(jié)構(gòu)的周期大2.8～3.0倍。而在16層結(jié)構(gòu)中隔振結(jié)構(gòu)的周期比非隔振結(jié)構(gòu)的周期大1.7～2.0倍。分析可知，建筑物越高自振周期越大，也就越遠(yuǎn)離場(chǎng)地卓越周期，同時(shí)利用隔振技術(shù)延長(zhǎng)建筑的振動(dòng)周期達(dá)到減震的效果就越弱［5］。說明在多層建筑中采用隔振減震會(huì)比高層建筑達(dá)到更好的減震效果。

表5　多遇地震下X方向基底剪力（16層）

表6　多遇地震下Y方向基底剪力（16層）

圖3　多遇地震下結(jié)構(gòu)的基底剪力

3.2多遇地震下結(jié)構(gòu)基底剪力

由表3、表5和圖3（a）、圖3（c）觀察可知當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ饔迷诮Y(jié)構(gòu)X方向時(shí)，基本上方案3的建筑基底最大剪力要比方案2的?。幌喾从杀?、表6和圖3（b）、圖3（d）觀察可知，當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ饔迷赮方向時(shí)，基本上方案2的建筑基底最大剪力要比方案3的小。分析可知，由于方案2的鉛芯橡膠支座主要沿Y軸布置，結(jié)構(gòu)在Y軸的鉛芯橡膠支座多，相對(duì)基底剪力分配到Y(jié)方向就要小于分配到X方向。同理，方案3相對(duì)基底剪力分配到X方向就要小于分配到Y(jié)方向。

表7　多遇地震下X方向最大層間位移角（6層）

表8　多遇地震下Y方向最大層間位移角（6層）

表9　多遇地震下X方向最大層間位移角（16層）

表10　多遇地震下Y方向最大層間位移角（16層）

由表3、表4和表5、表6或圖3（a）～（b）和圖3（c）～（d）對(duì)比分析，可以觀察得方案1和方案4的結(jié)構(gòu)基底剪力比較接近，且方案1和方案4的基底剪力最大值較方案2和方案3的略大。在6層建筑中，他們的差值約0.5%，而在16層建筑中，他們的差值約1.5%。說明類似方案1和方案4將鉛芯橡膠支座盡量布置在基礎(chǔ)外圍要比將鉛芯橡膠支座布置在靠近基礎(chǔ)中心產(chǎn)生更大的基底剪力，且這種效果在高層建筑中更明顯。而在底層建筑中我們可以忽略不同隔振支座布置對(duì)基底剪力產(chǎn)生的差異。

3.3不同方案的最大層間位移

由表7～表10或圖4可分析，即使在相同的隔振支座數(shù)目下，采用類似方案1將鉛芯橡膠支座沿基礎(chǔ)外圍布置，會(huì)使建筑在地震作用下產(chǎn)生較小的層間位移角。

對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可以看出，采用方案2和方案3將鉛芯橡膠支座在單一方向時(shí)，結(jié)構(gòu)受地震作用方向不同的影響相對(duì)較大，相反采用方案1將鉛芯橡膠支座沿基礎(chǔ)邊緣均勻的布置時(shí)，結(jié)構(gòu)受地震作用方向不同的影響很小。

而對(duì)于方案2和方案3受不同地震作用方向產(chǎn)生的層間位移角差異的原因分析可知，由于方案2的鉛心橡膠支座沿Y軸布置較多，使得建筑在X軸方向剛度比Y軸方向剛度小，結(jié)構(gòu)在Y方向更“柔”，從而觀察表7～表10或圖4可知，總體上方案2會(huì)使建筑在Y方向產(chǎn)生更小的層間位移角［6］。同理，在地震作用下，方案3使得建筑在X方向產(chǎn)生更小的層間位移角。

而地震作用方向是隨機(jī)的，所以均勻地布置隔振支座會(huì)達(dá)到更加穩(wěn)定的減震效果。

圖4　多遇地震下結(jié)構(gòu)的最大層間位移

4　結(jié)論

本文對(duì)結(jié)構(gòu)相同的6層和16層建筑在4種組合隔振支座布置下采用ETABS進(jìn)行動(dòng)力分析，得到以下結(jié)論：

⑴同一建筑，采用隔振技術(shù)能有效地降低地震作用，且多層建筑采用隔振技術(shù)的效果比高層建筑更明顯。

⑵對(duì)于多層建筑，在使用相同數(shù)量的組合隔振支座布置時(shí)，將水平剛度大的隔振支座（如鉛芯橡膠支座）盡可能布置在結(jié)構(gòu)外圍，可更好地減小建筑的層間位移角，而對(duì)建筑基底剪力影響不大。

⑶完全相同的建筑，在組合隔振支座相同的情況下，將鉛芯橡膠支座沿建筑外圍布置會(huì)使建筑的振動(dòng)周期減小，建筑基底剪力變大，建筑層間位移減小。

⑷由于地震作用方向的不可預(yù)測(cè)，在進(jìn)行組合隔振支座布置時(shí)，為使隔振效果更加穩(wěn)定，要盡可能均勻地布置隔振支座（如方案1）?！?/p>

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