俆飛鴻，李 翠

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 長(zhǎng)沙410114）

0 引言

建筑隔震技術(shù)是最近四十年來抗震防災(zāi)工程領(lǐng)域最重大的創(chuàng)新技術(shù)之一，現(xiàn)階段具有無可比擬的優(yōu)越性，能降低地震力的50%～80%［1］。隔震技術(shù)能使結(jié)構(gòu)安全性成倍提高，并能保護(hù)內(nèi)部設(shè)備儀器，在地震后不喪失使用功能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、生命、室內(nèi)財(cái)產(chǎn)三保護(hù)［2］。于是，科研人員開始逐漸將研究從建筑抗震轉(zhuǎn)向建筑隔震上。與此同時(shí)，鋼材作為一種自重輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工周期短、回收利用率高的建筑材料，且廣泛適用于建造多高層建筑物、大跨度工業(yè)廠房、以及橋梁工程中［3］。而我國(guó)又是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，如何減少地震中的損失，如何采用一種安全、有效、合理又經(jīng)濟(jì)的建筑隔震結(jié)構(gòu)體系，將進(jìn)一步推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從建筑抗震到建筑隔震的平穩(wěn)過渡［4-5］。

1 工程概況

本文選用1 棟商用建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，建筑總高度為49.5 m，采用帶八字斜撐的鋼框架結(jié)構(gòu)形式。本建筑1～3 層為裙房，每層層高設(shè)為4.5 m，4～10 層用作辦公區(qū)，層高均為3.0 m，自10層開始由于功能需要向中間縮進(jìn)，每層層高為3.3 m。框架柱網(wǎng)橫向?yàn)?0跨，縱向?yàn)?跨，且橫向和縱向的柱間距均為6.0 m。結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸如下：柱為HW400×400×20×35，梁為HW350×350×10×16，斜撐為HW250×250×9×14。

結(jié)構(gòu)荷載取值如表1所示。結(jié)構(gòu)的最底層平面布置如圖1所示。

表1 結(jié)構(gòu)荷載取值Tab.1 Structural Load Values

2 MIDAS/Gen建模

采用MIDAS/Gen 軟件建立模型如圖2 所示，MI?DAS/Gen 采用軟件內(nèi)置的“一般連接”邊界條件來模擬隔震支座［6-7］。并按照結(jié)構(gòu)恒荷載和活荷載組合求得的基底反力，確定了支座的最小尺寸。再在水平屈服承載力要求下選擇合適的支座，且考慮到扭轉(zhuǎn)影響，把剛度較大的鉛芯橡膠支座盡可能布置在周邊，天然橡膠支座布置在中間后形成的支座平面布置如圖3 所示。鉛芯橡膠支座LRB800 共4 個(gè)，均為角柱。圖3 中未注明的支座均為L(zhǎng)RB700，共28 個(gè)。天然橡膠支座NRB600共45個(gè)，圖3中以粗線框圈出。

圖1 結(jié)構(gòu)底層平面布置Fig.1 Layout Plan of Structure Ground Floor （mm）

圖2 采用MIDAS/Gen軟件建立的模型Fig.2 Model Built with MIDAS/Gen Software

圖3 支座平面布置Fig.3 Layout Plan of Support

3 反應(yīng)譜荷載工況設(shè)計(jì)

3.1 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

本商用建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8（0.2 g），本項(xiàng)目屬于抗震重點(diǎn)設(shè)防類（乙類建筑），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

3.2 反應(yīng)譜荷載工況

本文考慮了X、Y 兩個(gè)方向的反應(yīng)譜分析荷載工況，反應(yīng)譜按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》，結(jié)合場(chǎng)地條件和地震分組及地震烈度確定［8-10］。地震反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

圖4 地震反應(yīng)譜曲線Fig.4 seismic Response Spectrum Curve

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 模態(tài)分析

4.1.1 結(jié)構(gòu)的自振周期

結(jié)構(gòu)自振周期T為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按某一振型完成1 次自由振動(dòng)所需的往復(fù)時(shí)間，它只與結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量m 以及剛度系數(shù)k 有關(guān)。由MIDAS/Gen 特征值分析得出模型前10階模態(tài)的自振周期，如表2所示。

將以上3組模型的自振周期進(jìn)行兩兩對(duì)比，周期的提高率如表3所示。

由表3可知，對(duì)于結(jié)構(gòu)前三階振型，模型3（基礎(chǔ)隔震）和模型2（層間隔震）相對(duì)于模型1（原結(jié)構(gòu)）而言，結(jié)構(gòu)的自振周期得到了明顯延長(zhǎng)，由結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)譜（見圖5）可以看出，隨著結(jié)構(gòu)周期的延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)降低。

表2 模型自振周期Tab.2 Natural Vibration Period of the Model

表3 自振周期提高率Tab.3 Improvement Rate of Natural Vibration Period

圖5 結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)譜Fig.5 Acceleration Response Spectrum of Structure

4.1.2 結(jié)構(gòu)平扭特性

結(jié)構(gòu)的平扭特性是結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)關(guān)系的一種體現(xiàn)。它由結(jié)構(gòu)的平動(dòng)系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)（MIDAS/GEN 中由參與振型的X/Y/RZ 三個(gè)方向的質(zhì)量占質(zhì)量的比列來計(jì)算）來判別。同時(shí)，規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)周期比不應(yīng)大于0.9。其計(jì)算公式如下：

模型1～模型3 中前三階振型呈現(xiàn)相同的平扭特性：第1階振型均為Y方向的平動(dòng)，其平動(dòng)系數(shù)分別為0.81、0.72、0.99。第2 階振型均為X 方向的平動(dòng)，其平動(dòng)系數(shù)為0.82、0.60、0.99。第3 階振型為繞Z 軸的扭轉(zhuǎn)，其扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0.79、0.54、0.99。其周期比均小于0.9，說明支座按結(jié)構(gòu)周圈強(qiáng)中間弱的方式布置合理，有利于提高結(jié)構(gòu)的安全性。

4.1.3 結(jié)構(gòu)的位移形狀

結(jié)構(gòu)的位移可通過位移云圖表現(xiàn)出來，位移云圖可以說明結(jié)構(gòu)位移的走向。模態(tài)分析時(shí)，它不是真實(shí)的位移數(shù)值，而是位移的相對(duì)趨勢(shì)。模型1～模型3 的位移云圖如圖6所示。

由圖6可知，右側(cè)位移數(shù)值顏色與圖中顏色一一對(duì)應(yīng)，藍(lán)色位移趨勢(shì)最小，綠色和黃色其次，紅色趨勢(shì)最大。頂部最大相對(duì)位移數(shù)值分別為11.4 mm、13.5 mm和8.9 mm，說明基底隔震的相對(duì)位移趨勢(shì)最小，抗震性能最好。

圖6 位移云圖Fig.6 Displacement Cloud

4.2 反應(yīng)譜分析

由MIDAS/GEN 后處理菜單輸出結(jié)構(gòu)EX、EY 兩個(gè)方向地震作用的層間位移角和層間位移，并整理成如表4所示。

由表4 可知，模型3（基礎(chǔ)隔震）和模型2（層間隔震）除開隔震層外（由于隔震層的層間位移發(fā)生較大的突變，隔震層表現(xiàn)為整體平動(dòng)），層間位移角均未超過1/550 的限值。與原結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震和層間隔震結(jié)構(gòu)的層間位移有明顯減小，且從隔震層往上開始層間位移減小幅度呈增大趨勢(shì)。

5 結(jié)果分析及結(jié)論

⑴通過對(duì)3 組模型進(jìn)行的模態(tài)分析，提取了3 組模型的前10 階自振周期，并經(jīng)計(jì)算分析得到，基礎(chǔ)隔震和層間隔震結(jié)構(gòu)對(duì)比原結(jié)構(gòu)而言，自振周期提高率分別達(dá)到了210%和110%。由結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)譜圖可知，結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)，加速度反應(yīng)也隨之降低。同時(shí)，從3 組模型的位移云圖可以看出，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的頂部位移值也是最低的。

⑵通過對(duì)3組模型進(jìn)行的反應(yīng)譜分析，并提取結(jié)構(gòu)的層間位移和層間位移角數(shù)據(jù)分析可得，基礎(chǔ)隔震的頂部層間位移和層間位移角值在X、Y 兩個(gè)方向分別只占到原結(jié)構(gòu)的38.14%和40.52%。層間隔震的頂部層間位移和層間位移角值在X、Y 兩個(gè)方向分別占到原結(jié)構(gòu)的66.10%和63.79%，基礎(chǔ)隔震效果較明顯。因此，如果僅考慮結(jié)構(gòu)局部樓層隔震或者有難以實(shí)施基礎(chǔ)隔震的情況。否則，應(yīng)該優(yōu)先選擇抗震性能更高的基礎(chǔ)隔震。

表4 層間位移角和層間位移值Tab.4 Interlayer Displacement Angle and Value