框架結(jié)構(gòu)層間滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震效果分析

王社良,曹曉輝

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安 710055)

框架結(jié)構(gòu)層間滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震效果分析

王社良,曹曉輝

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安 710055)

為了研究層間滑移隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果,從理論上建立了層間滑移隔震結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型和靜動(dòng)轉(zhuǎn)化條件。使用SAP2000有限元軟件對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震及隔震結(jié)構(gòu)的模擬。對(duì)比分析其在小、中、大震作用下的減震效果,結(jié)果表明層間滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震效果良好。

層間滑移隔震;有限元分析;隔震效果;框架結(jié)構(gòu)

隨著傳統(tǒng)的抗震建筑越來越不能滿足現(xiàn)在人們對(duì)建筑的日益增高的要求,一種新型的結(jié)構(gòu)技術(shù)形式也越來越被人們所關(guān)注,這就是摩擦滑移隔震[1]。摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)因?yàn)槠湎鄬?duì)低廉的造價(jià)和簡(jiǎn)易的施工更受到人們的追捧和研究。與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)所不同的是滑移隔震結(jié)構(gòu)采用軟化結(jié)構(gòu)的方式即在上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間加入摩擦滑移裝置來控制、減少地震能量由下部向上部傳遞從而減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[2-3]?；聘粽鸾Y(jié)構(gòu)隔震主要通過其滑移隔震裝置來減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[4]。

本文通過對(duì)西安市一擬建框架結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)與層間隔震模型進(jìn)行對(duì)比分析,研究框架結(jié)構(gòu)層間隔震的減震效果。

1 層間滑移隔震結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程

層間滑移隔震結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 層間滑移隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

1.1 層間滑移隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)運(yùn)動(dòng)方程

當(dāng)層間滑移隔震結(jié)構(gòu)處于上部結(jié)構(gòu)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),其結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為n個(gè)自由度的計(jì)算模型[5-6],如下:

1.2 層間滑移隔震結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)方程

當(dāng)層間滑移隔震結(jié)構(gòu)處于上部結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),將隔震層看做是結(jié)構(gòu)體系中的一層,因此整個(gè)結(jié)構(gòu)體系可以簡(jiǎn)化為n+1個(gè)自由度的計(jì)算模型,同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)滑移后會(huì)受到限位復(fù)位裝置的作用,故其運(yùn)動(dòng)方程[5-6]如下:

1.3 層間滑移隔震結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件

結(jié)構(gòu)體系從相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài);

2 算例分析

2.1 模型結(jié)構(gòu)建立

本文所要進(jìn)行模擬分析的建筑物為西安市某中學(xué)擬建辦公樓,該樓地上六層地下一層,為框架結(jié)構(gòu),地下室層高6.25 m,一層層高3.9 m,二層至五層層高3.6 m,六層層高4.5 m;其X向?yàn)槲蹇?軸間距為8.4 m,Y向三跨,邊跨軸間距為7.2 m,中間跨軸間距為2.7 m。

本文使用有限元分析軟件SAP2000對(duì)擬建建筑進(jìn)行減震效果分析。分析時(shí)建立了其抗震模型,層間滑移隔震模型進(jìn)行對(duì)比分析。層間滑移隔震模型為在建筑物地下室柱頂與地下室頂板之間加設(shè)摩擦隔震單元?；聘粽裱b置使用摩擦隔震單元Friction Isolator來模擬[7],摩擦系數(shù)使用本工程準(zhǔn)備擬用的滑移隔震裝置實(shí)際測(cè)試得到的0.04。

由于本文所分析的擬建建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類,故在分析摩擦滑移隔震減震結(jié)構(gòu)的減震效果時(shí)使用相應(yīng)場(chǎng)地類別的地震波EL-Centro波及唐山波對(duì)其進(jìn)行分析對(duì)比。其中EL-Centro波持時(shí)30 s,峰值加速度為341 cm/s2;唐山波持時(shí)49.22 s,峰值加速度為-65.94 cm/s2。本文在進(jìn)行計(jì)算時(shí)分別對(duì)上述地震波調(diào)整到七度70 gal、八度200 gal及九度400 gal。采用非線性直接積分時(shí)程工況,使用上述地震波進(jìn)行調(diào)幅,對(duì)兩種模型計(jì)算對(duì)比分析。

2.2 隔震效果對(duì)比分析

為了分析摩擦滑移隔震建筑的隔震效果,下面分別對(duì)模型在不同地震波作用下的加速度放大系數(shù)(見圖2)、層間位移(見圖3)、層間剪力進(jìn)行對(duì)比(見表1)。

圖2 抗震及隔震結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)

圖3 抗震及隔震結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)包絡(luò)圖

表1 隔震層上層與下層層間剪力分析結(jié)果對(duì)比

結(jié)果分析:

(1)由圖2可看出,對(duì)比隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng),隔震結(jié)構(gòu)加速度相對(duì)于相同地震波相同地震烈度的抗震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)要小的多。

(2)由圖3可看出,對(duì)比隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的層間位移,隔震結(jié)構(gòu)的層間位移相對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)來說隔震層層間位移較大而其它層的層間位移均較小,故隔震結(jié)構(gòu)在受到地震作用時(shí)主要將能量耗散在隔震層。

(3)由表1可知,對(duì)比隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)層間剪力反應(yīng),隔震結(jié)構(gòu)層間剪力相對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)在相同地震波及相對(duì)烈度下的層間剪力均要小的多。

(4)對(duì)比隔震結(jié)構(gòu)在400 gal、200 gal地震烈度下與抗震結(jié)構(gòu)在200 gal、70 gal、地震烈度下的加速度反應(yīng)、層間位移反應(yīng)及層間剪力反應(yīng)可知,隔震結(jié)構(gòu)在高烈度下的地震反應(yīng)均小于抗震烈度在較隔震結(jié)構(gòu)低一個(gè)烈度下的地震反應(yīng)。

(5)對(duì)比分析隔震結(jié)構(gòu)在70 gal、200 gal、400 gal地震烈度下結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)、結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)、層間位移反應(yīng)、層間剪力反應(yīng)、隔震結(jié)構(gòu)層間剪力與抗震結(jié)構(gòu)層間剪力比可知,隔震結(jié)構(gòu)隨著地震烈度的增大其隔震效果越好。

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)層間滑移隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析,并對(duì)西安市擬建框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行SAP2000模擬對(duì)比分析,結(jié)果表明滑移隔震結(jié)構(gòu)有效的降低了結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)、層間位移反應(yīng)、層間剪力反應(yīng),隔震效果良好,且隨著地震烈度的增大其減震效果更好。然而由于滑移隔震結(jié)構(gòu)在高烈度地震作用下其隔震層層間滑移量較大,故在工程實(shí)際應(yīng)用過程中需要在構(gòu)造措施上滿足滑移量的需求與實(shí)際使用的要求。

[1]張文芳,稅國(guó)斌.建筑物滑移隔震研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),1997,27(增刊):45-50.

[2]文 佳,魏世宏,朱浪濤.隔震技術(shù)原理及存在問題分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,9(2):28-33.

[3]邸 元,豐定國(guó).基礎(chǔ)滑動(dòng)隔震體系地震反應(yīng)分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1996,28(2):162-166.

[4]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京:地震出版社,1997:20-28.

[5]李小軍,蔡 濤.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2009,7(1):106-108.

[6]愈茂宏,稅國(guó)斌.磚混建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1996,17(4):52-59.

[7]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006:62-64.

Analysis on Damping Effect of Interlayer Sliding-isolated Structure of Frame Construction

WANG She-liang,CAO Xiao-hui
(College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

In order to research the damping effect of interlayer sliding-isolated structure,its mechanical model and dynamic converting conditions are built from theory.Through the finite element software SAP2000,the earthquake resistance and isolation structure are simulated for frame construction.Then,the damping effects under small,medium and strong earthquakes are compared and analyzed.The results show that the damping effect of the interlayer sliding-isolated structure is good.

interlayer sliding-isolation;finite element analysis;damping effect;frame structure

TU398+.2

A

1672—1144(2012)05—0030—03

2012-04-09

2012-04-29

王社良(1956—),男(漢族),陜西西安人,教授,主要從事高層建筑結(jié)構(gòu)抗震與控制教學(xué)和科研工作。