框架結構隔震技術的應用及其經濟性分析

丁偉偉，干　洪

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥　230601；2.安徽工程大學，安徽 蕪湖　241000)

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框架結構隔震技術的應用及其經濟性分析

丁偉偉1，干洪2

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥230601；2.安徽工程大學，安徽 蕪湖241000)

摘要：文章以某棟框架結構為例，采用大型有限元分析軟件SAP2000分別對其建立傳統抗震結構、普通疊層橡膠支座隔震結構和鉛芯橡膠支座隔震結構模型，通過在罕遇地震作用下對結構進行動力時程分析，得出3種結構的樓層加速度、樓層剪力和層間位移反應，并進行對比分析。結果表明，該框架結構在應用鉛芯橡膠隔震支座時隔震設計效果明顯，采用鉛芯橡膠支座結構具有明顯的社會效益和經濟效益。

關鍵詞：基礎隔震；鉛芯橡膠支座；經濟性

1結構運動微分方程

基礎隔震技術就是通過在建筑物上部結構與基礎之間設置隔震層，以此延長結構的自振周期，阻止地震能量向上部傳遞，減小地震作用，實現地震時建筑物只發生較輕微的運動和變形，保障建筑物安全[1-2]。

目前，我國總共有400多棟隔震建筑，特別是2008年汶川大地震后，隔震技術被廣泛應用到新建工程中[3]。

對結構進行動力分析時，可將每層質量集中于每層樓板上，而把整個結構的豎向承重構件合并成1根總的豎向桿，每2個樓層之間只產生相對位移。當只考慮橫向構件的剪切變形時，n層基礎隔震結構的層間模型計算簡圖如圖1(b)所示。

圖1　多質點平動體系基礎隔震結構計算簡圖

該結構運動微分方程[4-5]如下：

其中，RNL(t)為非線性單元力總和的整體節點力向量；R(t)為節點的外部荷載；M為結構質量矩陣；C為比例阻尼矩陣；K為彈性剛度矩陣。具體動力方程求解過程可以參考文獻[6-8]。

2隔震支座選型

鉛芯橡膠支座是在普通疊層橡膠支座的中心插入鉛芯，以改善橡膠支座阻尼性能的一種隔震支座；普通疊層橡膠支座是一種由連接板、橡膠層和加勁鋼板組成的隔震支座[9-10]。根據規范，隔震支座的豎向平均壓應力限值不應超過15 MPa，通過表1選出相應的隔震支座以及支座設置位置[11]。

表1　橡膠支座的主要性能參數

3算例

本文以合肥安得物流6層框架結構辦公樓為例，采用大型有限元軟件SAP200建立模型，如圖2所示。總高度為18 m，底部柱網尺寸為5 m×4 m，柱截面尺寸為600 mm×500 mm,500 mm×500 mm,板厚為120 mm,混凝土強度等級為C25，丙類建筑。抗震設防烈度為8度。

根據抗震設計規范，該地區設計地震分組為第2組，樓面活荷載及屋面活荷載取3 kN/m2。

圖2　抗震結構模型

(1) 結構自振特性分析。運用SAP2000[12]分別對傳統抗震結構及3種不同類型隔震支座的基礎隔震結構進行模態分析，其前12階自振周期見表2所列。由表2可以得出，與抗震結構相比，隔震結構的自振周期得到了較大程度的提高，前3階周期是抗震結構的2.78～3.33倍。

表2　前12階振型周期對比　s

表2中，結構1為疊層橡膠支座結構，結構2為鉛芯疊層橡膠支座結構，結構3為高阻尼橡膠支座結構。

(2) 樓層加速度。樓層加速度對比見表3和圖3所示，可見在罕遇地震作用下，隔震結構相對加速度比抗震結構減少了43.78%～49.74%，高阻尼橡膠支座結構和鉛芯橡膠支座結構的樓層加速度相差很小。

表3　樓層相對加速度　　　　　　　m/s2

圖3El-Centro波作用下樓層相對加速度對比

(3) 層間位移。層間位移對比分析見表4和圖4所示，在罕遇地震作用下，疊層橡膠支座結構比抗震結構的層間位移減少34.9%，鉛芯疊層橡膠支座減少43.4%，高阻尼疊層橡膠支座結構減少25.1%，隔震結構大大降低層間位移。

表4　層間位移　　　　　　　　mm

圖4El-Centro波作用下層間位移對比

(4) 樓層速度。樓層速度對比分析見表5和圖5所示，可見在罕遇地震作用下，疊層橡膠支座結構比抗震結構的速度減少21.5%，鉛芯橡膠支座結構減少15.4%，高阻尼疊層橡膠支座減少16.4%。

表5　樓層速度　m/s

圖5El-Centro波作用下樓層速度對比

(5) 經濟性分析。本文對上述3種隔震支座結構與傳統抗震結構進行經濟性比較分析，最終確定選擇哪種隔震支座結構更具經濟效益，其對比分析結果見表6所列[13-15]。

表6　不同隔震支座結構經濟性對比分析

由表6可見，鉛芯疊層橡膠隔震支座結構增加的費用相對較少，而減少的費用相對又多，因此，具有更好的經濟效益。同時地震發生后由于鉛芯疊層橡膠隔震支座結構具有相對較小的層間位移和樓層加速度，其結構也便于修復，根據工程實踐，該建筑上部結構在采用隔震技術后，工程總造價大約節省2%。

4結束語

鉛芯疊層橡膠隔震支座結構既安全又具有較好的經濟效益，它不僅減少了上部結構、基礎截面尺寸、鋼筋用量和地基處理范圍，同時簡化了非結構構件的連接錨固，增加的費用又相對少[16-17]，減少的材料費用又多，且便于震后修復，具有較好的經濟和社會效益。

〔參考文獻〕

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收稿日期：2016-03-25；修改日期：2016-04-05

作者簡介：丁偉偉(1989-)，男，安徽宿州人，安徽建筑大學碩士生；

中圖分類號：TU352.12

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0194-03

干洪(1954-)，男，安徽廬江人，碩士，安徽工程大學教授．