基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)減震評價

夏同雪 毛利軍 王倩玲

(南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京 210000)

0 引言

基礎(chǔ)隔震是目前發(fā)展比較成熟的結(jié)構(gòu)被動控制的一種，它是通過在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置一定數(shù)量的隔震器，阻尼器來隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，減少輸入到上部結(jié)構(gòu)的能量，降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達到預(yù)期的防震要求。歷次地震震害表明，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是引起建筑結(jié)構(gòu)地震破壞的重要因素，許多不規(guī)則的偏心建筑物表現(xiàn)出了明顯的扭轉(zhuǎn)震害反應(yīng)，基礎(chǔ)隔震技術(shù)也被廣泛的應(yīng)用于減小偏心扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。江宜城、唐家祥對單層、多層框架單軸偏心結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)地震反應(yīng)進行了分析，結(jié)果表明采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)可顯著減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)［1，2］;Crosbie［3］最早提出可以采用基礎(chǔ)隔震的方法來降低地震作用下由于結(jié)構(gòu)偏心造成的扭轉(zhuǎn)反應(yīng);魏德敏［4］采用高層建筑三維有限元分析程序ETABS，對基礎(chǔ)隔震高層建筑結(jié)構(gòu)進行了地震反應(yīng)分析，并與非隔震結(jié)構(gòu)進行對比，表明采用基礎(chǔ)隔震可減小高層隔震結(jié)構(gòu)的水平及扭轉(zhuǎn)地震反應(yīng);Arturo Tena-Colunga，Christian Zambrana-Rojas［5］研究了在雙向地震作用下，三層隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。所研究的上部結(jié)構(gòu)在未隔震的情況下，自振周期為1．5 s～3 s。隔震支座滯回特性用雙線性恢復(fù)力模型來模擬。研究結(jié)果指出隨著隔震層偏心的增大，隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果相應(yīng)地減小。這些研究成果都說明基礎(chǔ)隔震對控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)起到一定的作用，但是對偏心扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的減震率沒有明確的規(guī)定，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［6］提出了水平減震系數(shù)的概念，按減震系數(shù)進行設(shè)計，考慮地震作用下隔震結(jié)構(gòu)平動的減震率。張文芳［7］針對某框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓研究了摩擦阻尼和橡膠支座恢復(fù)力配置比R對結(jié)構(gòu)減震系數(shù)的影響，研究表明采用參數(shù)R分析減震效果時，摩擦阻尼一定，而增大R結(jié)構(gòu)的層間剪力和減震系數(shù)都減小，但當(dāng)R值大于5時，減震系數(shù)趨于穩(wěn)定值。

上述研究都沒有考慮影響結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的因素對結(jié)構(gòu)減震率的影響，本文基于不同隔震層偏心率提出了考慮偏心結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)，用隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)角的比值定義為扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)，通過ETABS結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件分析隔震層偏心率對偏心扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)平動減震系數(shù)及扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)的影響。

1 工程概況

以某實際工程為抗震結(jié)構(gòu)原型，其結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總高27．0 m，底層層高5．0 m，第二層層高4．0 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3 m，丙類建筑，設(shè)防烈度為8度，地震基本加速度為0．30g，Ⅱ類場地，特征周期為0．45 s，地震波選取了5條實際強震記錄和2條人工模擬的加速度時程曲線，將這7條加速度時程曲線輸入到抗震結(jié)構(gòu)并與振型分解反應(yīng)譜法計算出的結(jié)構(gòu)底部剪力相比，計算表明，每條波計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條波計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，可見所選取的7條地震波符合建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求，最終計算結(jié)果取7條地震波結(jié)果的平均值。

經(jīng)計算，本模型上部結(jié)構(gòu)僅存在X方向的偏心，為簡化計算，隔震層的布置也僅考慮了X方向的偏心，本章在上部結(jié)構(gòu)布置不變的情況下通過改變鉛芯隔震支座與橡膠隔震支座的數(shù)目或型號改變隔震層的偏心率，本文取 ebx=0．01，0．02，0．03，0．04，0．05，0．06。所建模型ETABS三維視圖及隔震層布置如圖1所示，隔震層偏心率的改變是通過改變鉛芯隔震支座與橡膠隔震支座的數(shù)目或型號來實現(xiàn)的。

圖1 ETABS模型三維視圖及隔震層布置圖

2 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)分析

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者都對隔震層偏心率對隔震結(jié)構(gòu)的平移—耦聯(lián)效應(yīng)進行了研究，但是得到的看法并不統(tǒng)一。美國學(xué)者Lee［8］和 Pan等［9］認(rèn)為，只要隔震裝置偏心程度很小，即使上部結(jié)構(gòu)偏心較大，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)也會很小，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)可以忽略;但Nagarajaiah等人［10］認(rèn)為，即使隔震層偏心很小，上部結(jié)構(gòu)的偏心仍會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。M．Eisenberger和 A．Rutenberg［11］研究了單軸對稱的三榀基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)(分別為2層，5層，10層)的地震反應(yīng)。該研究結(jié)果表明當(dāng)隔震層偏心較小時，上部結(jié)構(gòu)的偏心對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)影響不大。本文在上部結(jié)構(gòu)保持不變的情況下改變隔震層偏心率，觀察上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)用扭轉(zhuǎn)角來表示，隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角隨隔震層偏心率變化趨勢如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著隔震層偏心率的增大，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角隨之增大。且當(dāng)隔震層的偏心率大于5%時，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角增幅較大。規(guī)范中用周期比和位移比來表示結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)程度，位移比是指樓層豎向構(gòu)件(即墻、柱)的最大水平位移與層間平均位移的比值，周期比是指扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T之比。

圖2 不同隔震層偏心率扭轉(zhuǎn)角的變化

本文六個模型的周期比，位移比如表1所示。

表1 周期比和位移比指標(biāo)

圖3 七條地震波下計算的兩種減震系數(shù)對比

由表1可以看出，對于規(guī)范中的周期比不大于0．9六個模型都符合，也能夠顯示出隔震層偏心率增大，周期比變大。對于規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)位移比不應(yīng)大于1．5，在Y方向，平面布置規(guī)則，位移比保持不變;在X方向，隨著隔震層偏心率的增大，結(jié)構(gòu)的位移比增大。

3 減震率分析

模型采用剛性樓板假設(shè)，在扭轉(zhuǎn)角計算中，可認(rèn)為對每一層樓板在扭轉(zhuǎn)反應(yīng)中是一剛性轉(zhuǎn)動，各層扭轉(zhuǎn)角的計算取同一X坐標(biāo)整體樓板上下各端部點，每邊端點沿樓層高度位于同一條豎直線上。由于結(jié)構(gòu)無論是隔震層還是上部結(jié)構(gòu)只存在X方向的偏心，因此扭轉(zhuǎn)角最大的地震作用方向是與偏心方向垂直的Y方向的地震波。七條地震波計算得到的水平減震系數(shù)與扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)對比及由七條地震波計算得到的層剪力與扭轉(zhuǎn)角平均值的水平減震系數(shù)與扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)關(guān)系如圖3所示。

由圖3分析可知，雖然不同的地震波得到的水平減震系數(shù)與扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)都不相同，但是他們都有相同的變化趨勢，即隨著隔震層偏心率的增大，水平減震系數(shù)減小而扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)卻增大。由最后平均值的對比圖可以得出，在隔震層的偏心率ebx在5%以下時，水平減震系數(shù)要大于扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)，結(jié)構(gòu)的減震效果可以用水平減震系數(shù)表示;而當(dāng)隔震層的偏心率ebx大于5%時，結(jié)構(gòu)水平減震系數(shù)迅速減小而扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)卻迅速增大，當(dāng)隔震層的偏心率為6%時，扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)已經(jīng)大于水平減震系數(shù)，結(jié)構(gòu)的減震效果就不能單純的靠水平減震系數(shù)來判斷。

4 結(jié)語

1)隨隔震層偏心的增大，偏心裙房結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角增大，并且隔震層偏心率大于5%后結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角增大幅度較大。

2)隨隔震層偏心率增大，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)呈減小的趨勢，而以結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)角定義的扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)則總體呈增大趨勢，并且當(dāng)隔震層偏心率大于5%后，扭轉(zhuǎn)減震系數(shù)大于水平減震系數(shù)，偏心裙房結(jié)構(gòu)的減震效果不能用水平減震系數(shù)來表示。

［1］江宜城，唐家祥．單軸偏心的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)分析［J］．華中理工大學(xué)學(xué)報，1999(6):81-83．

［2］江宜城，唐家祥，李媛萍．多層框架隔震結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)分析［J］．工程抗震，2000(2):12-14．

［3］Crosbie．R．L．Base isolation for torsion reduction in asymmetric structures under earthquake Loadings［J］．Earthquake Eng Struct Dyn，1977(3):97-99．

［4］魏德敏．基礎(chǔ)隔震高層建筑地震響應(yīng)的理論分析［J］．地震工程與工程振動，2003(1):140-144．

［5］Arturo Tena-Colunga，Christian Zambrana-Rojas．Dynamic torsional amplification of base-isolated structure with an eccentric isolation system［J］．Engineering Structure，2006(28):72-83．

［6］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［7］牛力軍，張文芳．某教學(xué)樓在不同隔震參數(shù)配置下的減震系數(shù)研究［J］．土木工程學(xué)報，2010，43(S1):329-333．

［8］Lee D M．Base isolation for torsion reduction in asymmetric structures under earthquake loading［J］．Earthq．Engrg．Struc．Dyn，1979，8(3):349-359．

［9］Pan TC，Kelly JM．Seismic response of torsionally coupled base isolated structures［J］．Earthq．Engrg．Struc．Dyn，1982，11(6):749-770．

［10］Satish Nagarajaiah，AndreiM Reinhorn，Michalakis CConstantinou．Torsion in Base-isolated Structures with Elastomeric Isolation Systems［J］．Journal of Structural Engineering，1993，119(10):2932-2951．

［11］M．Eisenberger，A．Rutenberg．Seismic base isolation of asymmetric shear buildings［J］．Journal of Engineering Structures，1986 (8):2-8．