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

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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

地震對結(jié)構(gòu)的破壞是由地面運(yùn)動而引起的建筑物受迫振動所致?；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，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。

1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的原理及特性

地震對結(jié)構(gòu)的破壞是由地面運(yùn)動而引起的建筑物受迫振動所致?；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，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。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主體結(jié)構(gòu)的影響，衰減主體結(jié)構(gòu)振動，并減小其在地震作用下的形變及相對運(yùn)動。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，場地會對其有一定的篩選作用，與場地特征周期相近的地震波會被放大，相反，會被縮小。

2 基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析

由于隔震結(jié)構(gòu)運(yùn)動特征的特殊性，靜力分析方法不能完全評估隔震對結(jié)構(gòu)的減震效果，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力與變形驗算主要采用動力時程分析方法。結(jié)構(gòu)在小震及中震作用下，通過承載力驗算可知結(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)也可能會進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，因此，設(shè)計者需要詳細(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)識及了解，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(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)計地震分組為第二組。框架共16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?？蚣芙Y(jié)構(gòu)高度小于60m，在水平荷載組合時可不考慮風(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?？拐鸾Y(jié)構(gòu)最顯著的變形特征為剪切型，前兩個振型以平動為主，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水平方向的平動，第三階振型以結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動為主，整體表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的整體平動，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結(jié)構(gòu)的抗震性能，在分析時分別考慮了不設(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，基本周期呈減小的趨勢；當(dāng)隔震層位于基底位置時，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，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。同時通過隔震層可以隔離掉大量的地震輸入能量。

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