隔震結構平面模型的非線性地震反應特征及參數研究

陳小燕

隔震結構平面模型的非線性地震反應特征及參數研究

陳小燕

本文采用平面基礎隔震結構彈塑性時程分析程序，針對建筑結構隔震體系的地震反應特征及參數進行了研究。探尋橡膠墊隔震結構的地震反應特點和規律，對隔震結構的時程分析結果和傳統抗震結構的時程分析結果進行比較，闡述隔震結構的優越性。

基礎隔震；橡膠墊隔震；彈塑性時程分析；地震反應特征；參數研究

1 基礎隔震結構的計算實例模型

1.1 模型的介紹

所用的計算實例是我國首棟基礎隔震結構。其處于三類建筑場地，基本設防烈度為8度。其上部結構的水平抗剪剛度和質量：隔震層的質量為 0.215×106kg，Kb1為 3.0×106N·m-1，Kb2為 2.4×106N·m-1，隔震層的阻尼比為0.10，其它各層的阻尼比為0.05。

1.2 選用的地震波情況

本文選用的地震波為EL-CENTRO波南北向、EL-CENTRO波東西向、EL-CENTRO波豎向以及天津波南北向、天津波東西向、天津波豎向。

2 抗震結構與基礎隔震結構的地震反應對比

2.1 結構動力特性分析

用自編的程序計算得到抗震結構和基礎隔震結構在彈性階段的周期，其計算結果見表1。

表1 抗震結構和隔震結構的自振周期（s）

從表1可以得出以下結論：

（1）隔震結構與抗震結構相比，前者的各階自振周期比后者的各階自振周期都長，而抗震結構的第一自振周期與場地的卓越周期Tg很接近，故對結構的抗震不利。可見采用了隔震裝置的結構其自振周期大大的延長了。結構自振周期越長，越遠離場地的卓越周期，地震時結構的地震反應越小。

（2）隔震結構的周期遠遠大于抗震結構的自振周期，從而避開了地震波的主要成份，這正是隔震結構能夠減小地震作用的原因。因此隔震結構的自振周期應該與地震波主要成份相差越大越好。

2.2 結構的地震反應對比

以EL-Centro波和天津波為例，對抗震結構和基礎隔震結構進行地震反應時程分析。按照8度多遇、設防烈度與罕遇輸入地震波，即輸入加速度峰值按比例放大為0.7m/s2、2m/s2和4m/s2的地震波。時程計算的時間為20s。

2.2.1 結構加速度反應分析

（1）由表2～4可看出在不同地震波作用下，基礎隔震結構與抗震結構相比都有很大減小。原因是隔震層很好的隔離了地震能量向上部結構的傳播。

（2）基礎隔震結構的加速度值明顯小于抗震結構的加速度值。

（3）基礎隔震結構隨地震波加速度峰值的增加，結構的加速度放大倍數都減小，表明地震波輸入增大時，鉛芯橡膠支座水平剛度減小，鉛芯塑性變形增加，吸收地震能量，有效的隔離地面運動向上傳播。

2.2.2 結構位移反應分析

（1）可以看出，在隔震結構中，在0層，即橡膠支座層的位移十分明顯，在結構位移中占了相當大的比例；其次隔震結構與抗震結構相比，其上部層間位移都有顯著的減小。由此可見，橡膠墊隔震層充分發揮了其大變形、消耗地震能量的作用，使得上部結構的的地震反應明顯減輕。

（2）由圖1可以看出，隨地震波作用的增大，結構各層位移顯著增加。而上部結構層間位移變化不大，表明地震動輸入較大時，變形集中在隔震層，上部結構變形變化不大，從而有效地隔離地面運動。

在地震波作用下，隔震結構的層間剪力峰值明顯小于抗震結構的層間剪力峰值。

表2 多遇地震作用下基礎隔震結構與基礎固定結構的樓層加速度峰值

表3 設防烈度地震作用下基礎隔震結構與基礎固定結構的樓層加速度峰值

表4 罕遇地震作用下基礎隔震結構與基礎固定結構的樓層加速度峰值

3 隔震結構雙線性恢復力滯回特性曲線中各參數的影響

雙線性恢復力模型中的各參數包括水平初剛度、水平第二剛度、屈服位移和強化階段的最大位移四個方面，其中水平初剛度直接影響隔震系統的自振周期，進而影響隔震效果，屈服位移和水平第二剛度對隔震效果的影響分析如下：

（1）固定水平第二剛度（為水平初剛度的0.7倍）不變，將屈服位移由20mm逐步過濾到70mm（不超過隔震層的最大的位移），看其對地震反應的影響。

圖1 設防烈度地震作用下抗震結構與隔震結構層間位移峰值對比

圖2 結構頂層峰值絕對加速度隨屈服位移的變化

圖3 隔震層峰值位移隨屈服位移的變化

從圖2可以看出，屈服位移X0＜20mm時，結構頂部峰值絕對加速度隨著X0的增大而減小；20mm＜X0＜70mm時，結構頂部峰值絕對加速度隨著X0的增大而增大。從圖3可以看出，當屈服位移X0＜30mm時，隔震層的峰值位移隨著X0增大而迅速減小；當屈服位移X0＞30mm時，隔震層的峰值位移隨著X0的增大而增大。

（2）固定屈服位移（X0=30mm）不變，改變第二水平剛度（通過改變第二水平剛度與水平初剛度的比值—剛度折減系統來實現）進行分析。

圖4 結構頂部峰值位移絕對加速度隨剛度折減系數的變化

圖5 隔震層峰值位移隨著剛度折減系數的變化

從圖4可以看出，在剛度折減系數小于0.6時，結構頂部峰值絕對加速度變化較小；剛度折減系數在0.60～1.0時，結構頂部峰值絕對加速度隨著剛度折減系數的增大而增大。從圖5可以看出，在剛度折減系數小于0.4時，隔震層的峰值位移隨著剛度折減系數的增大而迅速減小；剛度折減系數在0.4～0.8之間時，隔震層的峰值位移變化很小；剛度折減系數在0.8～1.0之間時，隔震層的峰值位移隨著剛度折減系數的增大而緩慢增大。

4 結論

本文采用平面基礎隔震結構彈塑性分析程序，針對建筑結構隔震體系的地震反應特征及參數進行了研究，得到以下的重要結論：

（1）采用平面基礎隔震結構彈塑性分析程序，進行隔震結構和抗震結構的動力特性分析，可以得到隔震結構的各階自振周期都有明顯增長，離場地的特征周期較遠，從而能夠避開地震動的主要頻段。

（2）對隔震結構與抗震結構的地震反應進行了研究，可以得出隔震結構加速度明顯小于抗震結構加速度，隔震結構的主要變形變形集中在隔震層，上部結構各層的層間位移都有很大減小，基本作整體平動，層間剪力也明顯小于抗震結構。說明隔震有濾波的作用，阻隔了地震波中的某些主要頻率成分向上部結構的傳遞，能有效地減小上部結構的地震反應。

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2016-7-30