摩擦擺隔震混凝土框架結構的有限元分析

楊海旭 王巧玲

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

摩擦擺隔震混凝土框架結構的有限元分析

楊海旭 王巧玲

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

對一幢四層摩擦擺隔震框架結構進行ABAQUS有限元模擬，將隔震前后結構的動力反應進行了對比，分析結果表明：摩擦擺隔震支座可有效降低上部結構的地震響應，具有使上部結構整體平動的良好隔震性能。

摩擦擺，框架結構，有限元分析

摩擦擺隔震技術在國內外得到廣泛的應用，取得了一定的社會效益，具有廣闊的發展前景。摩擦擺隔震結構部分已經受地震的考驗未發生破壞，而且在中國已有隔震結構投入使用中，獲得了良好的社會效益[1]。

1 隔震原理

(1)

(2)

2 有限元模擬分析

2.1 摩擦擺隔震支座的有限元數值模擬

本文采用ABAQUS有限元軟件對摩擦擺支座進行數值模擬，實體單元建模依次為上承板、滑塊、聚四氟乙烯涂層、下承板四部分，如圖2所示。其中，滑動曲面和聚四氟乙烯滑動面采用相同的曲率半徑R=2 m。

對于上承板和滑塊的接觸連接屬性采用平移連接屬性(join)[5]，這個連接的屬性就是兩個連接點之間不允許發生相對平移(可以發生各方向的相對旋轉)，即運動約束為：u1=0，u2=0，u3=0。下承板弧面和聚四氟乙烯涂層弧面的接觸屬性[6]：在切向方向上，本論文采用庫侖摩擦，使用確定的摩擦系數表示接觸面之間的摩擦特性。在法向方向上，須滿足非穿透的物理條件，本文中接觸壓力和間隙的關系選擇“硬接觸”(hard contact)。

注：主面的網格要比從面的網格要粗一些，但過于粗糙的網格會使ABAQUS難以確定接觸狀態。在建模過程中先設置一個重力階段，使模型中的接觸關系先建立起來，隨后設置地震階段模擬分析隔震系統的地震反應，這樣可以使模型計算更容易收斂。

2.2 計算實例與結果

取一個4層的鋼筋混凝土框架結構，簡化成4個集中質量的系統。鋼筋混凝土框架各層高為4.5 m。根據GB 20010-2010混凝土結構設計規范[7]附錄C中混凝土強度等級為C40，ρ=2 400 kg/m3，Es=3.25×1010N/m2，v=0.3。鋼筋ρ=7 800 kg/m3，Es=3.00×1011N/m2，Ep=4.4×108N/m2，v=0.3。柱截面尺寸為600 mm×600 mm，梁截面尺寸為300 mm×600 mm。作為對比研究，將框架固結于基礎作有限元模擬分析，見圖3。表1為隔震結構在地震加速度為αmax=2 m/s2(設防烈度)，αmax=6 m/s2(罕遇烈度)在摩擦系數分別為μ=0.05，μ=0.075，μ=0.10，μ=0.125工況下隔震層的最大位移。圖4為μ=0.10工況下該混凝土框架結構各層隔震前后的加速度放大倍數對比分析。

從表1、圖4中得知：隔震層的位移隨著摩擦系數的增大而逐漸減小，吸收的地震能量受到限制，使得上部結構的動力反應卻逐漸增大。較小的摩擦系數有利于摩擦擺隔震支座發揮良好的隔震性能。由于篇幅限制，只將EL-Centro波罕遇地震烈度(加速度為0.6g)作用μ=0.05工況下的計算結果分析如下：圖5為該地震作用下摩擦擺的最大滑動位置，表2為上部結構各層最大加速度的隔震前后對比，圖6、圖7分別為上部結構頂層隔震前后的相對位移曲線、絕對加速度曲線。

表1 隔震層的最大位移

mm

表2 罕遇地震下各層最大加速度

m/s2

由表2、圖6、圖7分析可得，摩擦擺使主體結構的位移、加速度幅值得到有效控制，隔震效率可達80%以上，相比于非隔震結構，隔震效果比較理想。通過隔震層大大消耗了地震能量，有效抑制了地震能量向上部的傳遞，達到了上部結構整體平動的良好隔震效果。

3 結語

1)摩擦擺隔震框架結構的加速度、速度的減小程度，說明摩擦擺憑借其較小的水平剛度消耗地震能量的輸入，降低上部結構的地震反應，具有較好的隔震性能，且這種摩擦擺具有較高的復位能力和穩定性。2)表1中，在μ=0.05工況下，隔震層的位移由αmax=2 m/s2時的45.8 mm增加為αmax=6 m/s2時的103.5 mm，分析表明隔震結構吸收了大部分的地震能量，故變形主要集中在隔震層。但過大的隔震層位移易造成上部結構的傾覆，對于如何克服該種缺陷，可通過限位裝置進一步探討研究。3)隨著摩擦系數的減小，隔震層的位移逐漸增大，大大消耗地震能量，而上部結構的地震反應逐漸減小。摩擦擺隔震支座具有良好的復位功能和振動穩定性，無需附設阻尼向心機構，通過降低主體結構抗震措施降低工程造價，降低地震損失，具有廣闊的應用前景。

[1] 龔 健，周 云.摩擦擺隔震技術研究和應用的回顧與前瞻(Ⅱ)——摩擦擺隔震結構的性能分析及摩擦擺隔震技術的應用[J].工程抗震與加固改造，2010,32(4):1-10.

[2] 龔 健，周 云.摩擦擺隔震技術研究和應用的回顧與前瞻(Ⅰ)——摩擦擺隔震支座的類型與性能[J].工程抗震與加固改造，2010,32(3):1-10.

[3] 謝禮立，呂大剛.結構動力學——理論及其在地震工程中的應用[M].第2版.北京：高等教育出版社,2005:550-565.

[4] 楊海旭，郭 迅.高度可調摩擦擺隔震支座的力學性能[J].遼寧工程技術大學學報,2012,1(31):61-64.

[5] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社,2012:132-250.

[6] 彼得·艾伯哈特，胡 斌.現代接觸動力學[M].南京：東南大學出版社,2003:77-134.

[7] GB 20010-2010，混凝土結構設計規范[S].

Finite element analysis of concrete-frame structure based on friction pendulum

YANG Hai-xu WANG Qiao-ling

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

A four-story concrete-frame structure with friction pendulum is built by ABAQUS to compare the seismic dynamic response of structure which has FPS or not by ABAQUS. The results show that friction pendulum isolation bearings can reduce the seismic response of the upper structure and has a good isolation performance to make the upper structure translate integrally.

friction pendulum, frame structure, finite element analysis

1009-6825(2014)11-0041-02

2014-02-07

楊海旭(1973- )，女，副教授； 王巧玲(1987- )，女，在讀碩士

TU375.4

A