齊杰 孫建琴 李文娟 張宇杰 田恩明
(1.深圳市華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)股份有限公司 518048;2.蘭州交通大學(xué) 730070;3.甘肅自然能源研究所 蘭州730030;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局 呼和浩特010051;5.甘肅正元建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 武威733000)
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗震思想是通過(guò)增大構(gòu)件截面、提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力和變形能力等主要措施來(lái)改善結(jié)構(gòu)本身的抗震性能。這種設(shè)計(jì)思想立足于“抗”[1]。這種以生命安全為單一設(shè)防基本目標(biāo)和基于承載能力和變形能力的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)和建造的建筑已不能滿足人類(lèi)社會(huì)的要求[2]。為彌補(bǔ)和改善傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)不足之處,隔震結(jié)構(gòu)正逐漸增多。隔震技術(shù)起源于新西蘭,大規(guī)模應(yīng)用于日本。我國(guó)在2008年汶川地震以后開(kāi)始大力推廣隔震技術(shù)。本文對(duì)九度區(qū)多層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)分析,討論多層隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能。
本工程采用框架結(jié)構(gòu)體系,丙類(lèi)建筑??拐鹪O(shè)防烈度9度,設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.40g,設(shè)計(jì)地震分組第三組,Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地,場(chǎng)地特征周期0.45s。地上6層,1層為儲(chǔ)藏室,2~5層均為住宅。建筑總長(zhǎng)25.6m,總寬11.1m,高度15.5m,建筑總面積270.94m2,高寬比為1.216。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見(jiàn)圖1。
圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平置(單位:mm)Fig.1 Plan of structural standard floor(unit:mm)
采用YJK軟件建立非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,將YJK模型導(dǎo)入到SAP2000和ETABS中。采用三種軟件建立隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,對(duì)上部結(jié)構(gòu)預(yù)減一度進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)。SAP2000和ETABS模型中梁、柱采用Frame單元模擬,樓板采用Slab單元模擬,支座采用Rubber Isolator單元模擬。非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖2。
圖2 非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of non-isolated structure
將YJK、SAP2000和ETABS非隔震結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期和層間剪力進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證所建模型的正確性。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1~表3。
根據(jù)表1~表3對(duì)比結(jié)果,YJK、SAP2000和ETABS軟件計(jì)算模型的質(zhì)量、自振周期、層間剪力差異較小。因此SAP2000和ETABS模型作為本工程隔震計(jì)算分析的模型是準(zhǔn)確的,可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的基本特性。
表1 非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比(單位:t)Tab.1 Quality comparison of non-isolated structures (unit:t)
表2 非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比(單位:s)Tab.2 Periodic comparison of non-isolated structure(unit:s)
表3 非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比(單位:kN)Tab.3 Interlayer shear comparison of non-isolated structures(unit:kN)
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)[3]第5.1.2 條,選取2條實(shí)際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬波形。地震記錄時(shí)程曲線如圖3所示,地震記錄持續(xù)時(shí)間見(jiàn)表4。
圖3 3條地震記錄時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of seven seismic record
表4 地震記錄反應(yīng)譜持續(xù)時(shí)間(單位:s)Tab.4 Earthquake record duration schedule(unit:s)
《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條條文說(shuō)明要求:輸入地震加速度時(shí)程曲線的有效持續(xù)時(shí)間,一般從首次達(dá)到該時(shí)程曲線最大峰值的10%那一刻算起,到最后一次達(dá)到最大峰值的10%為止;無(wú)論是實(shí)際的強(qiáng)震記錄還是人工模擬波形,有效持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5~10倍。由表4可知,有效持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)基本周期的5倍以上,滿足《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條要求。
選擇的地震記錄應(yīng)該同時(shí)適合非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)。地震記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力應(yīng)滿足規(guī)范要求,地震記錄反應(yīng)譜曲線在非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)基本周期點(diǎn)與規(guī)范反應(yīng)譜曲線點(diǎn)相差要小。
1.基底剪力
根據(jù)《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條,每條地震記錄計(jì)算的基底剪力均要大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,三條地震記錄計(jì)算的基底剪力平均值要大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%?;准袅?duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力(單位:kN)Tab.5 The base shear of non-seismic structure(unit:kN)
由表5可知,基底剪力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求,三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致。
2.主要周期點(diǎn)
《抗規(guī)》[3]第5.1.2 條條文說(shuō)明要求:地震記錄時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。三條地震記錄反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖4所示。
圖4 3條地震記錄反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線Fig.4 Three seismic record response spectrum and canonical response spectrum curve
由圖4可知,地震記錄平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜接近,結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)上相差小于20%。
隔震層設(shè)置在基礎(chǔ),支座布置在柱下(一柱一支座),共設(shè)置35個(gè)隔震支座(13個(gè)疊層橡膠支座GZP和22個(gè)鉛芯橡膠支座GZY),鉛芯橡膠支座布置在結(jié)構(gòu)平面四周,天然橡膠支座布置在內(nèi)部。SAP2000和ETABS軟件中隔震支座采用Rubber Isolator+Gap單元模擬,疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座分別采用線性隔震單元、非線性隔震單元模擬,支座平面布置見(jiàn)圖5,兩種支座本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖6,支座力學(xué)性能及數(shù)量見(jiàn)表6。
圖5 隔震支座平面布置Fig.5 Plan layout of isolation bearing
圖6 隔震支座本構(gòu)關(guān)系Fig.6 Isolation bearing constitutive relation
表6 支座力學(xué)性能參數(shù)Tab.6 Bearing mechanical properties parameters
運(yùn)用YJK、SAP2000和ETABS軟件采用FNA法(快速非線性分析方法)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力分析,并進(jìn)行比較。
三種軟件隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比見(jiàn)表7。
表7 隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比Tab.7 Periodic comparison of isolated structures
由表7可知,布置隔震支座后,結(jié)構(gòu)前三階周期延長(zhǎng)了3倍以上,避開(kāi)場(chǎng)地卓越周期,避免共振發(fā)生。隔震前后周期計(jì)算結(jié)果差值均小于5%。隔震結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向自振周期相差0.18%,未超過(guò)30%,滿足《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》(CECS126:2001)(以下簡(jiǎn)稱《疊規(guī)》)[4]第4.1.3 條要求。隔震前結(jié)構(gòu)第一振型為Y向晃動(dòng),第二振型為X向晃動(dòng),第三振型為扭轉(zhuǎn);隔震后第一階為Y向平動(dòng),第二振型以X向平動(dòng)為主,第三振型為扭轉(zhuǎn)。
根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.2.5 條,對(duì)于多層建筑水平向減震系數(shù)為設(shè)防地震時(shí)按彈性計(jì)算所得隔震與非隔震各層層間剪力比的最大值。三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致,隔震前后結(jié)構(gòu)層間剪力見(jiàn)圖7。
圖7 隔震前后層間剪力比較Fig.7 Comparison of interlaminar shear forces before and after isolation
表8 隔震前后水平向減震系數(shù)Tab.8 The horizontal damping coefficient before and after isolation
由表8可知:水平減震系數(shù)最大為0.3316(0.27 <0.3316 <0.4),隔震后層間剪力大幅降低,層間剪力最小減少66%。根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.2.5條,水平地震影響系數(shù)最大值αmax1=βαmax/ψ=0.3316 ×0.32/0.8 =0.133。綜合考慮,隔震以后水平地震影響系數(shù)最大值取0.16。隔震后上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)可降低一度,滿足預(yù)定隔震目標(biāo),可進(jìn)行罕遇地震隔震層驗(yàn)算。
采用FNA法對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下(PGA=400gal)時(shí)程分析,驗(yàn)算隔震層抗風(fēng)、隔震支座面壓和位移是否滿足規(guī)范要求。
1.隔震層抗風(fēng)驗(yàn)算
根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.1.3 條,風(fēng)荷載下隔震層水平剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于隔震層總屈服力,同時(shí)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于結(jié)構(gòu)總重力的10%。風(fēng)荷載驗(yàn)算見(jiàn)表9。
表9 隔震層風(fēng)荷載驗(yàn)算(單位:kN)Tab.9 Checking of wind load on isolation layer(unit:kN)
由表9可知,隔震層屈服力=6×47.8+16×31.5=790.8kN,大于X向和Y向風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值,隔震層抗風(fēng)滿足規(guī)范要求。
2.隔震支座位移
支座水平位移根據(jù)《抗規(guī)》[3]第12.2.6 條驗(yàn)算,計(jì)算時(shí)采用荷載組合為S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk。支座位移分布見(jiàn)圖8。
圖8 支座水平位移分布Fig.8 Horizontal displacement distribution of isolated bearing
由圖8可知,三條地震記錄支座位移最大值為173.76mm,均小于規(guī)范允許限值,滿足規(guī)范要求。
3.隔震支座壓應(yīng)力
平均壓應(yīng)力采用荷載組合S=1.0SD+0.5SL,最大壓應(yīng)力采用荷載組合S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk+0.5SEvk= 1.0SD+0.5SL+1.0SEhk+0.5 × 0.2(SD+0.5SL)。支座平均壓應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分布情況分別見(jiàn)圖9和圖10。三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致,結(jié)果取3條地震記錄最大值。
圖9 支座平均壓應(yīng)力分布Fig.9 Average compressive stress distribution of isolated bearing
圖10 支座最大壓應(yīng)力分布Fig.10 Maximum compressive stress distribution of isolated bearing
由圖9和圖10可知,支座平均壓應(yīng)力最大值為5.23MPa,支座壓應(yīng)力最大值為12.09MPa。所有支座平均壓應(yīng)力均小于15MPa,最大壓應(yīng)力不超過(guò)30MPa,滿足《抗規(guī)》[3]第12.2.3 條要求。
4.隔震支座拉應(yīng)力
支座拉應(yīng)力計(jì)算選用荷載組合S=1.0SD+0.5SL+1.0SEhk-0.5SEvk= 1.0SD+0.5SL+1.0SEhk-0.5 × 0.2(SD+0.5SL)。支座拉應(yīng)力分布見(jiàn)圖11。《抗規(guī)》[3]第12.2.4 條規(guī)定:隔震支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下,其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0MPa。
由圖11可知,支座最大拉應(yīng)力為0.63MPa,未超過(guò)1MPa,滿足《抗規(guī)》[3]要求。
結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性層間位移角根據(jù)《抗規(guī)》[3]第5.5 條和《疊規(guī)》[4]第4.4.3 條的規(guī)定執(zhí)行,即多遇地震彈性層間位移角限值為1/550,罕遇地震彈塑性層間位移角限值為1/100。層間位移角計(jì)算結(jié)果取三條地震記錄最大值。多遇和罕遇地震作用三條地震記錄作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角見(jiàn)表10。
圖11 支座最大拉應(yīng)力分布Fig.11 Maximum tensile stress distribution of isolated bearing
表10 隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Tab.10 Story drifts of isolated structure
由表10可知,多遇和罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移角最大分別為1/1518和1/318,層間位移角滿足規(guī)范要求,變形主要集中在隔震層。
本文使用三種有限元軟件(YJK、SAP2000、ETABS)對(duì)某高烈度區(qū)多層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)和分析,得出以下結(jié)論:
1.采用基礎(chǔ)隔震后,結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)了3倍多,前兩階振型呈平動(dòng)型。設(shè)防地震作用下水平向減震系數(shù)為0.3316,上部結(jié)構(gòu)可減一度(即八度)設(shè)計(jì)。
2.隔震后結(jié)構(gòu)所受地震作用大為減小,設(shè)防地震作用下層間剪力至少減少66%,隔震后結(jié)構(gòu)水平位移主要集中在隔震層。隔震層所受風(fēng)荷載最大為115.52kN,支座最大壓應(yīng)力為12.09MPa,支座最大拉應(yīng)力為0.63MPa,支座位移最大為173.76mm,多遇和罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角最大分別為1/1518和1/318,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。
3.高烈度區(qū)多層RC框架隔震結(jié)構(gòu)具有良好的隔震效果,結(jié)構(gòu)抗震性能能夠得到提高。