豎向剛度突變結(jié)構(gòu)層間隔震地震響應(yīng)分析

崔利富，孫建剛，王 振

(大連民族學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 大連116605)

豎向剛度突變結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜［1－2］，并會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，如結(jié)構(gòu)布置不當(dāng)，豎向剛度突變、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反應(yīng)及高振型影響將會(huì)加劇，其振動(dòng)特性、受力性能、破壞形式、分析模型及計(jì)算方法要比一般高層建筑復(fù)雜得多。層間隔震技術(shù)的發(fā)展，為豎向剛度突變建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與研究開(kāi)辟了一個(gè)新途徑［3－4］。本文選取一幢底盤(pán)為2 層，上部為5 層的塔樓建筑，基于ETABS 有限元分析程序［5］，在剛度突變處加入隔震層進(jìn)行模擬，給出層間隔震的地震響應(yīng)，驗(yàn)證層間隔震降低地震響應(yīng)的可行性。

1 有限元模型的建立

本算例使用簡(jiǎn)化的框架模型，為體現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度沿豎向分布突變，選擇大底盤(pán)塔樓結(jié)構(gòu)布置，同時(shí)為了減少干擾因素，結(jié)構(gòu)只在Y 方向的立面有縮進(jìn)，剛度發(fā)生突變，X 方向上沒(méi)有突變。結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，底盤(pán)為2 層，層高3.30 m，上部為一幢5 層的塔樓，層高也為3.30 m。柱網(wǎng)尺寸為3 500 mm×6 000 mm，底盤(pán)Y 方向上7 根柱子，間距3 500 mm，X 方向上3 根柱子，間距6 000 mm。上部塔樓Y 方向上3 根柱子，間距3 500 mm，X 方向上3 根柱子，間距6 000 mm。柱子使用C30 的混凝土，截面尺寸為500 mm ×500 mm，梁采用C30 混凝土，截面尺寸為350 mm ×600 mm，板采用C30 混凝土，板厚100 mm。場(chǎng)地類型為Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，7 度抗震設(shè)防。在剛度突變處設(shè)置隔震層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 層間隔震結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本算例采用鉛芯橡膠支座系統(tǒng)(如圖2)，其滯回曲線如圖3，圖中Ku，Kd為在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值下的屈服前剛度和屈服后剛度。將其簡(jiǎn)化為彈簧阻尼系統(tǒng)，其簡(jiǎn)化的隔震系統(tǒng)如圖4。初步設(shè)定隔震系統(tǒng)的周期為2 s，隔震層阻尼比取為0.1。基于ETABS 有限元分析程序，在模型的上部塔樓和下部大底盤(pán)結(jié)構(gòu)的連接處設(shè)置橡膠墊，采用beam 單元模擬梁柱。所建立的有限元模型如圖5。

圖2 鉛芯疊層橡膠支座形狀與構(gòu)造

圖3 鉛芯疊層橡膠墊滯回曲線

圖4 鉛芯疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖5 豎向剛度突變結(jié)構(gòu)層間隔震計(jì)算模型

2 動(dòng)力特性及地震響應(yīng)對(duì)比分析

2.1 固有特性比較

層間隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)周期見(jiàn)表1，一階振型如圖6。

表1 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的基本周期

圖6 一階振型圖比較

表1 表明，層間隔震結(jié)構(gòu)的周期明顯延長(zhǎng)，能夠避開(kāi)場(chǎng)地的特征周期，避免“類共振”的發(fā)生，起到減震的目的。由圖6 一階振型的比較可看出，隔震結(jié)構(gòu)的變形明顯小于非隔震結(jié)構(gòu)的變形，近似于整體平動(dòng)，避免了激烈放大效應(yīng)的發(fā)生。

2.2 地震響應(yīng)對(duì)比分析

選取Elcentro 波作為地震動(dòng)輸入，采用非線性時(shí)程分析法，其加速度峰值反應(yīng)及減震率見(jiàn)表2，其沿結(jié)構(gòu)高度的變化如圖7。

表2 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)加速度

圖7 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)時(shí)程分析所得加速度

從表2 和圖7 中可以看出，非隔震結(jié)構(gòu)隨著樓層的增加，加速度迅速增加，層間隔震結(jié)構(gòu)從1層到2 層加速度增加，2 層到3 層的加速度急劇減少，3 層以后的加速度近似平動(dòng)。層間隔震結(jié)構(gòu)各層的加速度比非隔震結(jié)構(gòu)有明顯下降，說(shuō)明層間隔震對(duì)豎向突變結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有一定的減震作用。

隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角見(jiàn)表3，其沿高度的變化如圖8。

表3 時(shí)程分析所得隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間位移角

圖8 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)的X 方向?qū)娱g位移角

表3 和圖8 表明，隔震結(jié)構(gòu)的樓層位移角及層間位移明顯降低，例如7 層的層間位移角及層間位移減小了88 %，3 層的層間位移角及層間位移減小了86.1 %，1 層的層間位移角及層間位移減小了90.8 %。這也證明隔震裝置起到了明顯的隔震作用。非隔震結(jié)構(gòu)第2 層由于剛度有突變，所以位移角及層間位移也有突變，而隔震結(jié)構(gòu)則近似整體平動(dòng)。

3 結(jié) 論

本文選取一豎向剛度突變結(jié)構(gòu)，基于ETABS建筑結(jié)構(gòu)分析程序，引入層間隔震技術(shù)，建立了有限元模型，對(duì)其進(jìn)行固有特性和地震響應(yīng)分析。主要結(jié)論如下:

(1)層間隔震裝置能增大豎向剛度突變結(jié)構(gòu)自振周期，從而使建筑物避開(kāi)場(chǎng)地的卓越周期;隔震結(jié)構(gòu)的變形明顯小于非隔震結(jié)構(gòu)的變形，層間隔震裝置使隔震層上部變形主要以整體平動(dòng)為主，結(jié)構(gòu)位移主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)的隔震層，上部結(jié)構(gòu)的層間位移減小，避免激烈放大效應(yīng)的發(fā)生。

(2)非隔震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)隨著層數(shù)的增加而急劇增加，而層間隔震結(jié)構(gòu)從1 層到2 層加速度增加，2 層到3 層的加速度急劇減少，3 層以后的加速度幾乎沒(méi)有增加。表明層間隔震裝置能減小豎向剛度突變結(jié)構(gòu)地震加速度。

(3)層間隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非層間隔震結(jié)構(gòu)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值。相同樓層，層間隔震結(jié)構(gòu)層間位移角最大僅為非層間隔震結(jié)構(gòu)的20.0 %。

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