某框架結構隔震層優化設計

彭彥煌

（廣州大學土木工程學院）

0 引言

經過歷次地震，隔震結構已證明了減震能力[1]。Ryan 等[2]分析了隔震層不同位置及參數的層間隔震結構，得出不同的減震效果；宋曉等[3]對其深究，通過分析某一框架結構，對比分析基礎﹑層間隔震結構的減震效果，證明隔震層存在最優參數。本文根據位移響應均方值表達式，因LRB+LNR 隔震層在面對脈沖地震動時較易超限，所以選用HDR 對某框架結構進行隔震層優化設計。

1 工程概況

該模型為單一框架結構，總共9 層，層高均為3.300m；地震設防烈度為8 度，場地類型為Ⅱ類，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第二組，場地特征周期為0.40s。本文選擇了Elcentro 波、Taft波、人工波以及三條近場脈沖地震動，分別對基底隔震、一層隔震（隔震層布置在一樓柱頂）、三層隔震等三個LRB+LNR 方案以及三層隔震HDR 方案進行對比驗算分析。

2 公式推導

針對層間隔震結構，本文選擇兩質點模型[4]，如圖1，將隔震層及上部結構、隔震層下部結構分別簡化成一個質點。

在線彈性情況下,由圖1 所示計算模型的振動方程如下：

圖1 兩質點模型

方程組兩邊進行傅里葉變換得：

由隨機振動分析方法，設激勵為理想白噪聲，即功率譜密度為S0。設結構層間位移x1和x2的功率譜密度分別為Sx1（w）=S0∣Hx1（w）∣2，Sx2(w)=S0∣Hx2（w）∣2。

則x1和x2位移響應均方值表達式為[5]：

其中：

其中：

令ζ1=0[6]進一步將F（p，q）簡化成：

因此：

選擇三層隔震方案作為驗算對象，即質量比q=2，代入方程求得k2=0.4622k1，結合ETABS 最終求得支座水平等效剛度約為2187KN/m。

3 動力計算分析

3.1 地震波選取

本文選取了6 組地震記錄,根據規范規定：每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均超過振型分解反應譜法計算結果的65%，3 條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%。表1 給出了6 組地震記錄對比。

表1 底部剪力比值

3.2 隔震方案

組合使用LRB600（布置在樓層外圍）和LNR600（布置在樓層內部）建立基底隔震、一層隔震、三層隔震模型；全部使用HDR520 建立三層隔震模型，支座參數如表2 所示。

表2 支座參數

3.3 分析結果

使用ETABAS 在設防烈度下算得模型的層間剪力進而算出減震系數，僅列出第一樓層的結果，如表3 所示；在罕遇烈度下驗算支座是否超限，其中LRB600 位移限值是330mm，HDR520 位移限值是252mm，結果如表4 所示。

表3 減震系數

表4 隔震層位移

4 結論

各個隔震方案相較于抗震結構均具備一定減震能力，但是對部分脈沖地震動的減震效果一般；尤其是在罕遇烈度下，使用LRB600+LNR600 的三個方案支座位移均超限；使用HDR520 的三層隔震方案雖減震效果略差于基底隔震，但是支座沒有超限，并且造價也比基底隔震方案低。因此若要考慮脈沖地震動對隔震結構影響時，可以使用部分高阻尼橡膠支座代替天然橡膠支座。