隔振支座布置對多、高層框架結構抗震性能的影響

張磊　　呂航　　陳章彥　　毛捷

（廣州大學土木工程學院）

隔振支座布置對多、高層框架結構抗震性能的影響

張磊呂航陳章彥毛捷

（廣州大學土木工程學院）

研究在相同數目的組合隔振支座不同的布置方案中結構的動力反應，尋找更優的隔振支座布置思路達到隔振支座更充分的使用。以6層和16層的框架結構為研究模型，使用ETABS分析對多遇地震下結構在4種不同隔振支座布置的時程分析。結果顯示，在多層建筑中將鉛芯橡膠支座布置在基礎的外圍能更好減少建筑的層間位移，而對層間剪力的影響很小。

框架結構；支座布置；時程分析

1　引言

唐山、汶川地震的深痛教訓使我國的建筑設計人員深刻意識到建筑抗震的重要性，同時也促進隔震技術在國內的快速發展。較以往的抗震技術，新的隔震技術更經濟而且有具有更好的減震效果［1］。目前國內新建的重要建筑和橋梁中很多已采用隔震技術。而在我國的隔振建筑中大多使用了隔振支座。趙大海［2］提出了不同的支座布置方案將對同一建筑產生不同的減震效果，如周云［3］指出支座的布置會影響隔振層的剛度中心從而進一步影響隔振效果。所以，為達到好的減震效果，隔振支座的優化布置很有必要。

本文采用有限元軟件對結構相同的多、高層建筑采用不同的隔振支座布置進行動力分析，探討更優的隔振支座布置思路。

2　結構概況

模擬結構為6層和16層的框架結構。隔振層層高1.6m，首層層高4.2m，標準層層高3.6m。其中鋼筋混凝土梁柱使用的材料為C30混凝土和HPB300、HRB335鋼筋。除首層柱截面尺寸為800mm×800mm，其余柱截面尺寸為700 mm×700mm。主梁截面尺寸為700 mm× 300mm，次梁截面尺寸為600 mm×300mm。各樓層平面布置相同，結構平面圖見圖1。

設計結構在8.5級地震下的反應，查抗震規范得結構特征周期為Tg=0.45s，周期折減系數取0.8，地震波的輸入采用1條人工波、2條天然波和LUS波同時作用于X軸和Y軸的天然波組成。其中LUS-X+Y波作用于X軸的比例為1，作用于Y軸的比例為0.85，相反LUS-X+Y波作用于X軸的比例為0.85，作用于Y軸的比例為1。整個隔振層共設27個隔振支座，由11個疊層橡膠支座和16個鉛芯橡膠支座組成。

圖1　結構的平面圖

鉛芯橡膠支座采用型號為LRB700，豎向剛度為4148kN/mm，100%水平性 能 的等效水 平 剛度 為2496kN/m，屈服后剛度為1380kN/m，屈服力為122.7kN。疊層橡膠支座采用型號為 LNR700，豎向剛度為3641kN/mm，100%水平性 能 的等效水 平 剛度 為1350kN/m。

3　不同隔振支座布置下的效果分析

為比較隔振支座的不同布置方式對建筑的隔振效果的影響，共采用4種方案模擬不同的隔振支座布置方式，方案1將鉛芯橡膠支座布置在基礎外圍，方案2和方案3分別將鉛芯橡膠支座布置在基礎的Y軸、X軸方向，方案4將鉛芯橡膠支座布置在基礎3個凸出位置。四種方案布置圖見圖2。

圖2　隔振支座的布置

表1　結構的振動周期（6層）

表2　結構的振動周期（16層）

表3　多遇地震下X方向基底剪力（6層）

表4　多遇地震下Y方向基底剪力（6層）

3.1結構的振動周期

由表1和表2可以看出，在相同模態下不同的隔振支座布置方案對應的結構振動周期不同。其中方案1和方案4的震動周期小于方案2和方案3。相同情況下，結構的振動周期越大，建筑的隔振效果越好［4］。也就是說方案1和方案4的結構會吸收更多的地震能，會使基礎的剪力比方案2和方案3的大。說明將鉛芯橡膠支座布置在結構的基礎外圍會使結構吸收更多的地震能。

另外在相同的隔振支座布置下，在6層的建筑中隔振結構的周期比非隔振結構的周期大2.8～3.0倍。而在16層結構中隔振結構的周期比非隔振結構的周期大1.7～2.0倍。分析可知，建筑物越高自振周期越大，也就越遠離場地卓越周期，同時利用隔振技術延長建筑的振動周期達到減震的效果就越弱［5］。說明在多層建筑中采用隔振減震會比高層建筑達到更好的減震效果。

表5　多遇地震下X方向基底剪力（16層）

表6　多遇地震下Y方向基底剪力（16層）

圖3　多遇地震下結構的基底剪力

3.2多遇地震下結構基底剪力

由表3、表5和圖3（a）、圖3（c）觀察可知當地震波作用在結構X方向時，基本上方案3的建筑基底最大剪力要比方案2的小；相反由表4、表6和圖3（b）、圖3（d）觀察可知，當地震波作用在Y方向時，基本上方案2的建筑基底最大剪力要比方案3的小。分析可知，由于方案2的鉛芯橡膠支座主要沿Y軸布置，結構在Y軸的鉛芯橡膠支座多，相對基底剪力分配到Y方向就要小于分配到X方向。同理，方案3相對基底剪力分配到X方向就要小于分配到Y方向。

表7　多遇地震下X方向最大層間位移角（6層）

表8　多遇地震下Y方向最大層間位移角（6層）

表9　多遇地震下X方向最大層間位移角（16層）

表10　多遇地震下Y方向最大層間位移角（16層）

由表3、表4和表5、表6或圖3（a）～（b）和圖3（c）～（d）對比分析，可以觀察得方案1和方案4的結構基底剪力比較接近，且方案1和方案4的基底剪力最大值較方案2和方案3的略大。在6層建筑中，他們的差值約0.5%，而在16層建筑中，他們的差值約1.5%。說明類似方案1和方案4將鉛芯橡膠支座盡量布置在基礎外圍要比將鉛芯橡膠支座布置在靠近基礎中心產生更大的基底剪力，且這種效果在高層建筑中更明顯。而在底層建筑中我們可以忽略不同隔振支座布置對基底剪力產生的差異。

3.3不同方案的最大層間位移

由表7～表10或圖4可分析，即使在相同的隔振支座數目下，采用類似方案1將鉛芯橡膠支座沿基礎外圍布置，會使建筑在地震作用下產生較小的層間位移角。

對比圖4（a）和圖4（b）可以看出，采用方案2和方案3將鉛芯橡膠支座在單一方向時，結構受地震作用方向不同的影響相對較大，相反采用方案1將鉛芯橡膠支座沿基礎邊緣均勻的布置時，結構受地震作用方向不同的影響很小。

而對于方案2和方案3受不同地震作用方向產生的層間位移角差異的原因分析可知，由于方案2的鉛心橡膠支座沿Y軸布置較多，使得建筑在X軸方向剛度比Y軸方向剛度小，結構在Y方向更“柔”，從而觀察表7～表10或圖4可知，總體上方案2會使建筑在Y方向產生更小的層間位移角［6］。同理，在地震作用下，方案3使得建筑在X方向產生更小的層間位移角。

而地震作用方向是隨機的，所以均勻地布置隔振支座會達到更加穩定的減震效果。

圖4　多遇地震下結構的最大層間位移

4　結論

本文對結構相同的6層和16層建筑在4種組合隔振支座布置下采用ETABS進行動力分析，得到以下結論：

⑴同一建筑，采用隔振技術能有效地降低地震作用，且多層建筑采用隔振技術的效果比高層建筑更明顯。

⑵對于多層建筑，在使用相同數量的組合隔振支座布置時，將水平剛度大的隔振支座（如鉛芯橡膠支座）盡可能布置在結構外圍，可更好地減小建筑的層間位移角，而對建筑基底剪力影響不大。

⑶完全相同的建筑，在組合隔振支座相同的情況下，將鉛芯橡膠支座沿建筑外圍布置會使建筑的振動周期減小，建筑基底剪力變大，建筑層間位移減小。

⑷由于地震作用方向的不可預測，在進行組合隔振支座布置時，為使隔振效果更加穩定，要盡可能均勻地布置隔振支座（如方案1）。●

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