輕木-混凝土層間隔震結構的地震響應分析

(武漢理工大學土木工程與建筑學院 湖北 武漢 430070)

引言

為了驗證新型隔震裝置的隔震性能，有必要將此隔震裝置應用于輕木-混凝土混合結構中，進行層間隔震結構的整體分析。本章以某輕木-混凝土混合結構為例，利用有限元分析軟件SAP2000，建立其有限元模型，對原結構與層間隔震結構進行了多遇地震作用下的時程分析。檢驗此木制隔震裝置的減震效果。

一、輕木-混凝土結構有限元模型的建立

(一)木制隔震裝置的模擬

新型木制隔震裝置如圖1(a)與(b)所示，其由上到下依次由散斗、華拱、泥道拱、櫨斗四個部件組成。

(a)側視詳圖 (b)俯視詳圖

由于此隔震裝置的工作機理表現出明顯的摩擦滑移耗能特征。綜合考慮豎向承載力及隔震裝置的性能的充分發揮，對隔震層進行了初步設計，共設置104個木制隔震裝置。隔震裝置的模擬可采用非線性彈簧單元，類型選用Plastic(Wen)。SAP2000中的Plastic(Wen)單元[2]，相當于是在參數A=1，β=γ=0.5確定情況下的Bouc-Wen模型。

(二)模態分析

分別對原結構與層間隔震結構進行模態分析，求得其前6階周期，層間隔震結構的前3階振型如圖2(a)至(c)所示，依次為南北(華拱)向平動、東西(泥道拱)向平動、扭轉。

(a)一階振型 (b)二階振型 (c)三階振型

圖2層間隔震結構的前三階振型

由圖表可知，隔震結構的一階周期相比原結構結構有所增大，但其增大不明顯。

(三)地震響應時程分析

分別對原始結構與層間隔震結構進行地震響應時程分析，對比其層間位移、絕對加速度、層間剪力的響應分析其隔震效果。

1.地震波的選取與調整

參照《建筑抗震設計規范》5.1.2條[3]，應選用3條地震加速度曲線，且其中兩條應為實際強震記錄。選取2條實際強震觀測波El Centro與唐山波，以及一條人工合成的地震波ART，地震波雙向輸入。

2.多遇烈度下的地震響應分析。

分別對原結構與隔震結構輸入2種地震波，得到其各層的位移、加速度、層間剪力響應時程曲線，不同地震波作用下華拱向泥道拱向各層層間位移與加速度。

上部輕木結構的加速度相比原結構都有所減小，但隔震層位移不是很明顯。華拱方向的加速度減震效果相比泥道拱向稍好。隔震層以下結構絕對加速度相比原結構減少十分不明顯，在El Centro波與ART人工波作用下，底層的絕對加速度都出現少量的放大現象。

層間隔震結構其層間剪力相比原結構都有一定的減小，華拱向減震效果比泥道拱向稍好。輕木結構的第二層減震效果相比其他層減震效果較差。

提取各地震波作用下，隔震支座的力-位移曲線如圖3(a)至(c)所示。從圖中可以看出，泥道拱向并未或剛剛進入滑移階段，其滯回環狹長。由于華拱向的起始滑移力更小，已經產生了一定的滑動，滯回環相對更飽滿。但因為華拱向初始剛度偏大，故其減震效果相比泥道拱差別不大。

(a) (b) (c)

圖3(a)多遇烈度ElCentro波作用下隔震支座力-位移曲線

(b)多遇烈度唐山波作用下隔震支座力-位移曲線

(c)多遇烈度ART人工波作用下隔震支座力-位移曲線

二、結論

通過對比結果表明此新型隔震裝置具有良好的減震性能。

在多遇烈度下，隔震支座具有足夠的初始剛度來抵御地震作用，但由于地震力過小，無法克服靜摩擦力使裝置滑動，故減震效果不明顯。華拱向由于先于泥道拱向開始滑動，因此在多遇地震作用下減震效果相比泥道拱向更好。

在地震作用下，隔震層以下的結構的加速度響應減小不明顯，甚至可能會出現放大的現象。