隔震結(jié)構(gòu)平面模型的非線性地震反應(yīng)特征及參數(shù)研究

陳小燕

隔震結(jié)構(gòu)平面模型的非線性地震反應(yīng)特征及參數(shù)研究

陳小燕

本文采用平面基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析程序，針對建筑結(jié)構(gòu)隔震體系的地震反應(yīng)特征及參數(shù)進(jìn)行了研究。探尋橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律，對隔震結(jié)構(gòu)的時程分析結(jié)果和傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的時程分析結(jié)果進(jìn)行比較，闡述隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

基礎(chǔ)隔震；橡膠墊隔震；彈塑性時程分析；地震反應(yīng)特征；參數(shù)研究

1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的計算實(shí)例模型

1.1 模型的介紹

所用的計算實(shí)例是我國首棟基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)。其處于三類建筑場地，基本設(shè)防烈度為8度。其上部結(jié)構(gòu)的水平抗剪剛度和質(zhì)量：隔震層的質(zhì)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(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)對比

2.1 結(jié)構(gòu)動力特性分析

用自編的程序計算得到抗震結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在彈性階段的周期，其計算結(jié)果見表1。

表1 抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的自振周期（s）

從表1可以得出以下結(jié)論：

（1）隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的第一自振周期與場地的卓越周期Tg很接近，故對結(jié)構(gòu)的抗震不利。可見采用了隔震裝置的結(jié)構(gòu)其自振周期大大的延長了。結(jié)構(gòu)自振周期越長，越遠(yuǎn)離場地的卓越周期，地震時結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)越小。

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

2.2 結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)對比

以EL-Centro波和天津波為例，對抗震結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)時程分析。按照8度多遇、設(shè)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(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)分析

（1）由表2～4可看出在不同地震波作用下，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的傳播。

（2）基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的加速度值明顯小于抗震結(jié)構(gòu)的加速度值。

（3）基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隨地震波加速度峰值的增加，結(jié)構(gòu)的加速度放大倍數(shù)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(yùn)動向上傳播。

2.2.2 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)分析

（1）可以看出，在隔震結(jié)構(gòu)中，在0層，即橡膠支座層的位移十分明顯，在結(jié)構(gòu)位移中占了相當(dāng)大的比例；其次隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)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(fā)揮了其大變形、消耗地震能量的作用，使得上部結(jié)構(gòu)的的地震反應(yīng)明顯減輕。

（2）由圖1可以看出，隨地震波作用的增大，結(jié)構(gòu)各層位移顯著增加。而上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形變化不大，從而有效地隔離地面運(yùn)動。

在地震波作用下，隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力峰值明顯小于抗震結(jié)構(gòu)的層間剪力峰值。

表2 多遇地震作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值

表3 設(shè)防烈度地震作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值

表4 罕遇地震作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值

3 隔震結(jié)構(gòu)雙線性恢復(fù)力滯回特性曲線中各參數(shù)的影響

雙線性恢復(fù)力模型中的各參數(shù)包括水平初剛度、水平第二剛度、屈服位移和強(qiáng)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(tǒng)的自振周期，進(jìn)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(yīng)的影響。

圖1 設(shè)防烈度地震作用下抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層間位移峰值對比

圖2 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)頂部峰值絕對加速度隨著X0的增大而減小；20mm＜X0＜70mm時，結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)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(tǒng)來實(shí)現(xiàn)）進(jìn)行分析。

圖4 結(jié)構(gòu)頂部峰值位移絕對加速度隨剛度折減系數(shù)的變化

圖5 隔震層峰值位移隨著剛度折減系數(shù)的變化

從圖4可以看出，在剛度折減系數(shù)小于0.6時，結(jié)構(gòu)頂部峰值絕對加速度變化較小；剛度折減系數(shù)在0.60～1.0時，結(jié)構(gòu)頂部峰值絕對加速度隨著剛度折減系數(shù)的增大而增大。從圖5可以看出，在剛度折減系數(shù)小于0.4時，隔震層的峰值位移隨著剛度折減系數(shù)的增大而迅速減小；剛度折減系數(shù)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(shù)在0.8～1.0之間時，隔震層的峰值位移隨著剛度折減系數(shù)的增大而緩慢增大。

4 結(jié)論

本文采用平面基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)彈塑性分析程序，針對建筑結(jié)構(gòu)隔震體系的地震反應(yīng)特征及參數(shù)進(jìn)行了研究，得到以下的重要結(jié)論：

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

（2）對隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了研究，可以得出隔震結(jié)構(gòu)加速度明顯小于抗震結(jié)構(gòu)加速度，隔震結(jié)構(gòu)的主要變形變形集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的傳遞，能有效地減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

[1]王建強(qiáng)，管品武，姚謙峰.鉛芯疊層橡膠支座基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)雙向地震反應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動，2005，25（1）：133～137.

[2]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[4]R.I.Skinner，W.H.Robinsow，G.H.Mcverry.謝禮立，周雍年，趙興全，譯.工程隔震概論[M].北京：地震出版社，1996.

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2016-7-30