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        基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

        2016-12-17 03:18:03高錫華
        環(huán)球市場 2016年17期
        關(guān)鍵詞:隔震框架結(jié)構(gòu)抗震

        高錫華

        云南建投第二建設(shè)有限公司

        基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

        高錫華

        云南建投第二建設(shè)有限公司

        基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置柔性較好和具有適當(dāng)耗能能力的隔震支座和阻尼器等隔震裝置,使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)在向上部結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)過程中得到控制和衰減,提高了結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性,已成為結(jié)構(gòu)抗震的重要發(fā)展趨勢。目前我國已建成2000多棟各種基礎(chǔ)隔離體系的建筑物,通過記錄其部分建筑物在地震中結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)記錄和地震后破壞情況研究對(duì)比,基礎(chǔ)隔震的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的隔震減震效果。

        基礎(chǔ)隔震框架;抗震性能

        地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞是由地面運(yùn)動(dòng)而引起的建筑物受迫振動(dòng)所致?;A(chǔ)隔震的基本原理就是通過設(shè)置隔震系統(tǒng),使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)層與上部結(jié)構(gòu)之間能夠做有限的柔性滑動(dòng),從而減小結(jié)構(gòu)的水平剛度、延長結(jié)構(gòu)的自振周期、有效降低結(jié)構(gòu)在地震中的加速度反應(yīng)。地震能量大部分被隔震層所消耗,上部結(jié)構(gòu)只做輕微平動(dòng)。

        1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的原理及特性

        地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞是由地面運(yùn)動(dòng)而引起的建筑物受迫振動(dòng)所致?;A(chǔ)隔震的基本原理就是通過設(shè)置隔震系統(tǒng),使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)層與上部結(jié)構(gòu)之間能夠做有限的柔性滑動(dòng),從而減小結(jié)構(gòu)的水平剛度、延長結(jié)構(gòu)的自振周期、有效降低結(jié)構(gòu)在地震中的加速度反應(yīng)。周期延長后結(jié)構(gòu)的位移必然會(huì)增大,通常在隔震層設(shè)置適當(dāng)?shù)淖枘嵫b置,以增大結(jié)構(gòu)整體阻尼并賦予結(jié)構(gòu)自動(dòng)復(fù)原的能力。地震能量大部分被隔震層所消耗,上部結(jié)構(gòu)只做輕微平動(dòng)。增大結(jié)構(gòu)的阻尼,并且合理的控制結(jié)構(gòu)的自振周期,能夠使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)和結(jié)構(gòu)的位移減小?;A(chǔ)隔震正是采用此方法來降低地震作用對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響,衰減主體結(jié)構(gòu)振動(dòng),并減小其在地震作用下的形變及相對(duì)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應(yīng),除了與結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性有關(guān)外,還與地震波有關(guān),尤其是地震波的頻譜特征,然而影響地震波頻譜特征的主要因素就是場地的特性。不同的場地具有不同的特征周期,當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ浇ㄖ锼趫龅貢r(shí),場地會(huì)對(duì)其有一定的篩選作用,與場地特征周期相近的地震波會(huì)被放大,相反,會(huì)被縮小。

        2 基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

        由于隔震結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征的特殊性,靜力分析方法不能完全評(píng)估隔震對(duì)結(jié)構(gòu)的減震效果,結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力與變形驗(yàn)算主要采用動(dòng)力時(shí)程分析方法。結(jié)構(gòu)在小震及中震作用下,通過承載力驗(yàn)算可知結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。結(jié)構(gòu)在大震作用下,隔震層上、下部結(jié)構(gòu)也可能會(huì)進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài),因此,設(shè)計(jì)者需要詳細(xì)了解隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形與受力性能,尤其是在大震狀態(tài)(罕遇地震、超大地震)下結(jié)構(gòu)的抗震性能有深入的認(rèn)識(shí)及了解,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        2.1 數(shù)值模型

        選用一棟高層框架結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型,抗震設(shè)防烈度為7度,基本地震加速度0.15g,場地類別Ⅲ類,設(shè)計(jì)地震分組為第二組??蚣芄?6層,總高度50m,其中底部兩層高4m,其余層高均為3m。建筑平面為正方形,長30m,柱距6m。框架結(jié)構(gòu)高度小于60m,在水平荷載組合時(shí)可不考慮風(fēng)荷載作用,水平荷載僅考慮水平地震作用。根據(jù)建筑的使用功能及結(jié)構(gòu)材料性能,樓面恒荷載取3kN/m2,樓面活荷載取2kN/m2,屋面荷載取0.5kN/m2,外部填充墻等自重按均布荷載作用于外部框架梁,線荷載取10kN/m。抗震結(jié)構(gòu)最顯著的變形特征為剪切型,前兩個(gè)振型以平動(dòng)為主,結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移沿結(jié)構(gòu)高逐漸增大,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力隨沿結(jié)構(gòu)高逐漸減??;而基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的前兩階振型分別表示兩個(gè)水平方向的平動(dòng),第三階振型以結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主,整體表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的整體平動(dòng),且應(yīng)力在上部結(jié)構(gòu)中的分布較為均勻。

        2.2 隔震模型的層間位移反應(yīng)分析

        在三條地震波作用下框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角由 0.022 降低為 0.013,說明隔震對(duì)層間位移角起到了明顯的降低效果。在峰值加速度為 4m/s2的三條地震波的作用下,基礎(chǔ)隔震模型的隔震層水平位移最大值為 174mm,滿足抗震規(guī)范所規(guī)定的隔震層水平位移限值3Tr(Tr為支座橡膠層總厚度,該隔震模型所用隔震支座橡膠層總厚度最大值為 115mm)。在地震作用下,傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的變形特征為明顯的剪切型,而隔震結(jié)構(gòu)基本為整體平動(dòng)型,變形主要集中在隔震層。

        2.3 層間隔震結(jié)構(gòu)基本周期對(duì)比

        結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振周期有很大關(guān)聯(lián),層間隔震結(jié)構(gòu)中隔震層的設(shè)置使得結(jié)構(gòu)周期延長的越多,則說明隔震效果越顯著。為研究隔震層位于樓層不同位置時(shí)結(jié)構(gòu)的抗震性能,在分析時(shí)分別考慮了不設(shè)置隔震層、設(shè)置基礎(chǔ)隔震層、隔震層設(shè)置于 1 ~15 層時(shí)等多種方案,進(jìn)行模態(tài)分析,得到多種方案下結(jié)構(gòu)的周期變化情況,為節(jié)約篇幅且不失規(guī)律性,此處僅列舉部分周期數(shù)據(jù)見表1。

        表1 結(jié)構(gòu)基本周期對(duì)比(s)

        由表1可以看出:(1)加入隔震支座后,結(jié)構(gòu)基本周期增加,說明隔震層的設(shè)置可延長周期;(2)考慮結(jié)構(gòu)的低階振型,當(dāng)隔震層所在高度不斷增大時(shí),基本周期呈減小的趨勢;當(dāng)隔震層位于基底位置時(shí),結(jié)構(gòu)周期為非隔震結(jié)構(gòu)的兩倍左右,作用效果明顯;但當(dāng)隔震層位于結(jié)構(gòu)頂部時(shí),其周期與非隔震結(jié)構(gòu)幾乎相同,說明隔震層的設(shè)置幾乎不起作用。

        在采用隔震技術(shù)后,由于結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層,因此結(jié)構(gòu)的非線性耗能主要集中在隔震層的隔震支座滯回耗能上。這有利于避免和減小上部結(jié)構(gòu)的損傷。同時(shí)通過隔震層可以隔離掉大量的地震輸入能量。

        [1] 李應(yīng)斌,劉伯權(quán),史慶軒. 基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究與展望[J]. 地震工程與工程振動(dòng),2001,21(4):73-79.

        [2] 趙楠,馬凱. 大底盤多塔高層隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2010,43(增刊):255~258.

        [3] 程選生,賈傳勝,杜修力. 消能減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震加固改造中的應(yīng)用[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2012,(51):253-257.

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