第l0卷第4期 铁道科学与工程学报 JOURNAL OF RAlL-WAY SClENCE AND ENGINEERING VOI.1O NO.4 2013年8月 Aug.2013 夹层橡胶垫基础隔震框架结构非线性时程分析 蔡勇,刘光亮,陆铁坚 (中南大学土木工程学院,湖南长沙410075) 摘要:采用大型有限元分析软件ANSYS,对基础隔震与传统抗震的多层钢筋混凝土框架结构进行了地震反应时程分析。 对比基础隔震与传统抗震结构在同一地震波输入下的动力反应,研究2种结构模型的加速度、层间剪力、层间位移以及阻 尼比对减震效果的影响。研究结果表明:钢筋混凝土框架结构采用基础隔震技术之后,结构地震反应明显降低。 关键词:框架结构;基底隔震;非线性时程分析 中图分类号:TU375;TU973 .31 文献标志码:A 文章编号:1672—7029(2013)04—0019—05 Nonlinear time history analysis of laminated rubber base isolation structure CAI Yong,LIU Guangliang,LU Tiejian (School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China) Abstract:The large finite element software ANSYS was used to analyze dynamic time history of the base—isola— ted and the base—fixed multistory reinforced concrete frame structure.The earthquake response of building under the same seismic condition was compared with accelerations,floor shear,floor displacement and damping ratio between the base—isolated and the base—fixed structure.The resuhs show that the seismic response of reifornced concrete frame stuctrure obviously reduces with base isolation technology. Key words:frame structure;base isolation;nonlinear time history analysis 长期以来,世界各国普遍采用的结构抗震方 法,是利用结构的强度和结构构件的塑性变形能力 抵抗外来的地震作用。实践证明,这种方法对减轻 段 ,积累的工程经验还比较有限,因而有必要对 基础隔震结构进行非线性时程分析。 1.1基本假定 地震灾害起到了积极作用,但在安全性与技术经济 方面有着明显不足。随着科学技术的不断发展,对 地震认识的不断深入,一种新的隔震设计方法“基 础隔震技术”应运而生。基础隔震是在上部结构 假定各层楼板为无限刚性,上部结构考虑线性 地震反应,对隔震层考虑非线性地震反应。上部结 构采用平动2个方向自由度,隔震层对每一个隔震 器分别加以考虑,分别考虑平动两个方向自由度, 通过总体刚度集成对结构进行整体动力分析,由于 与基础之间设置侧向刚度较小的隔震层,其侧向刚 度一般为上部结构刚度的1/50~1/150…,通过隔 震层位移耗能,减小结构的地震反应,从而可以减 轻结构在地震中的破坏程度 。 软件分析的局限性,没有考虑扭转作用的影响 j。 1.2动力分析方法 图1所示为基础隔震结构体系的动力分析模 型,其中:m为结构底板的质量;m 为结构第i层的 质量; 为结构第i层的水平刚度;k为隔震装置(橡 胶垫)的水平刚度;C为隔震装置(橡胶垫)的阻尼; 和 为地面地震位移、速度、加速度; , 和 1 隔震结构的动力时程分析方法 由于基础隔震技术在我国尚处于推广应用阶 收稿日期:2012—11—10 , 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51078354);湖南省自然科学基金重点资助项目(1OJJ2034) 作者简介:蔡勇(1968一),男,湖南益阳人,博士,副教授,从事结构工程抗震性能的研究 铁道科学与工程学报 2013年8月 分别为结构底层与基础面之间的水平相对位移、 其中:【MI为质量矩阵;【 ]为刚度矩阵;【C]为 阻尼矩阵。 速度和加速度; 和 分别为上部结构第 层对 结构底层与基础面i之间的水平相对位移反应、速度 反应和加速度反应; 为隔震结构的层号(i=1,2, …采用Rayleigh阻尼,将阻尼矩阵表示为质量矩 阵和刚度矩阵的线性组合:【C]=a【MI+ 【 】。 常数 和 可由结构体系第i和 振型的阻尼比 。 ,n) 为隔震结构的振型号( =1,2,…,m)。 (a) 和 和自振频率O.J 和∞,确定,一般取 =1√=2; i(1)i一‘i m —— ——Ti一 - ● I 叁橡胶隔震 ■ 2算例分析 2.1工程概况 某办公楼工程为8层钢筋混凝土框架结构,平 图1 多质点基础隔震结构动力分析模型 Fig.1 Multi—panicle model f0r dynamic anMysis of base isolation 面长39.6 m,宽14.5 m,层高均为3.6 m,结构总 高度28.8 m。1—3层框架柱尺寸为500 mm×500 mm,4~8层框架柱450 mm X450 mm,边跨梁(aB 和CD跨)均为300 mm×500 mm,中跨(BC跨)均 为250 mm×450 mm,纵向梁均为300 mm X 600 由图1可知,上部结构第层地震反应运动方程 为: = +戈6+ 。 由达郎贝尔原理可列出隔震结构体系运动方 程: m。( gmm。混凝土强度等级为板C20,梁柱C30,板厚 120 mm,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速 度为0.20g,钢筋混凝土框架抗震等级为二级,场 地为二类,近场第1组,特征周期为0.35 s。结构 +xb)+∑mi( g+ 6+ )+c 6+ 6=0 平面图如图2所示。 上部结构的相对运动方程为: 【MI{ )+[C]{ )+【 ]{ s)= ,= 一( + 6)【MI{J) 一一一 §] [M]= 图2结构平面布置图 k1 一k Fig.2 Structure of lfoor plan 2.2结构模型 [K]= k j 选用28个GZY500铅芯橡胶支座,每个框架 柱下设置1个隔震支座,其形心与柱截面形心重 合。铅芯橡胶隔震支座参数和性能指标见表l_5 J。 —k 表1隔震橡胶支座力学性能 Table 1 MechanicM prope ̄ies of rubber bearing 第4期 蔡勇,等:夹层橡胶垫基础隔震框架结构非线性时程分析 2l 2.3有限元模型 利用有限元软件ANSYS对结构进行有限元分 析,楼板选用SHELL63单元,该单元具有弯曲及薄 膜特性,柱、梁选用BEAM188 3一D线性有限应变 梁单元,该单元基于Timoshenko梁理论,考虑弯曲 和剪切变形效应,对于隔震垫单元,在ANSYS中没 有现成的隔震支座单元,本文用弹簧单元进行模 拟,竖向刚度的模拟采用COMBIN14单元,两个水 平方向采用COMBIN40单元 J,依据文献[7]选用 E1一Centro波(Ns),加速度峰值分别为0.7 m/s 和4.0 m/s ,相当于8度多遇地震和8度罕遇地 震2种情况,整个时问历程20 s,时间步距0.02 s, 上部结构的模态阻尼比取0.05。 2.3.1 自振特性 分别建立基础隔震结构和非隔震结构有限元 模型,进行有限元分析。图3和图4所示为隔震结 构的前两阶振型,表2所示为隔震结构和非隔震结 构前六阶振型的自振频率和周期。 图3隔震结构第一振型 Fig.3 The first mode of isolated structure j i j{ : : } } 图4隔震结构第二振型 iFg.4 The second mode of isolated structure 表2 隔震结构和非隔震结构模态对比表 Table 2 Comparison of isolated structure and mode of non——i-- solated structure 从模态分析结果可以得到以下结论: (1)隔震结构的第一自振周期为2.127 7 s,而 上部结构相同的不隔震结构的自振周期为0.7 s 左右,可见采用了隔震支座后,结构的自振周期大 大延长,由标准地震反应谱曲线可知,结构的自振 周期延长后,上部结构的加速度反应大大地减小, 层间剪力也将减小; (2)传统抗震结构的基本振型主要是下小上 大的“放大型”,从隔震结构的前一,二阶振型的形 状可以看出,隔震层以上结构以“整体平动”为主, 同时由于高阶振型对振动的影响较小,所以,在地 震中上部结构层间位移会大大地减小。 (3)隔震结构的周期远远大于不隔震结构的 自振周期,从而避开了地震波的主要成分,这正是 隔震结构能够减小地震作用的原因。因此,隔震结 构的自振周期应该与地震波主要成分相差越大越 好 引。 2.3.2层间剪力 从表3可以看出: (1)最大剪力反应在隔震层底部;从底层到顶 层剪力逐步减小,其中底层剪力减少的幅度很大; 这充分说明隔震结构可以大幅度的降低建筑结构 的底层剪力,为此隔震结构的设计可以适当的放宽 限制 J。 (2)层间剪力比最大值是计算所得实际减震 系数,由规范中所规定的层间剪力和水平向减震系 数的对应关系,结构减震效果相当于降低了地震烈 度1.5度 。 (3)隔震结构与传统抗震结构相比,隔震结构 的各层层间剪力远远小于传统抗震结构的各层层 间剪力。故在相同工况下进行结构设计时,可以减 少隔震结构的梁柱截面尺寸和配筋量,从而可以获 得较好的经济效益。 22 铁道科学与工程学报 2013年8月 表3剪力峰值表 Table 3 Shear peak form kN 层数 多遇地震 罕遇地震 隔震 非隔震 比值 隔震 非隔震 比值 一层 1 018 3 578 28 5 528 16 753 33 二层 994 3 465 29 4 079 15 690 26 三层 899 3 38l 26 3 71O 13 250 28 四层 807 3 166 25 2 536 ll 030 23 五层 712 2 570 27 2 859 9 859 29 六层 578 1 958 29 1 998 7 685 26 七层 406 1 502 27 l 465 5 86o 25 八层 282 857 33 l Ol6 3 765 27 2.3.3加速度响应 从表4可以看出: (1)在E1一Centro波多遇地震作用下,隔震结 构顶层加速度峰值为0.921 m/s ,非隔震结构为 3.434 m/s ,约为非隔震的1/3,大大降低了顶层的 加速度,第1~8层的加速度反应规律为:加速度随 着层数的提高逐渐增大,至第五层时突然减小,随后 逐渐增大。 (2)隔震结构相比于非隔震结构的上部加速 度,上部各层的加速度差距较小,隔震结构上部受力 较为均匀,由于隔震层有滤波作用,阻隔了地震波中 的某些主要频率成份向上部结构传递。因此,对结 构的加速度反应进行分析,可以看出隔震效果显著。 表4加速度峰值表 Table 4 Peak table accelerati0n m/s2 层数 多遇地震 罕遇地震 隔震 非隔震 比值 隔震 非隔震 比值 一层 0.302 0.903 33 0.933 4.515 22 二层 0.5o0 1.527 32 1.557 7.787 20 三层 0.616 2.175 28 2.828 11.313 25 四层 0.536 2.920 18 3.990 16.627 24 五层 0.620 2.825 22 2.949 l1.345 26 六层 0.738 2.221 33 2.297 9.991 23 七层 0.847 2.922 28 3.946 14.615 27 八层 0.921 3.434 27 4.802 17.151 28 2.3.4层间位移反应 结构各层的层间位移峰值表5所示。从表5 可见: (1)隔震结构的上部各层的绝对位移基本相 同,隔震结构上部层间位移接近于零。说明上部结 构在地震中是以“整体平动”为主要振动形式,上 部结构基本处于弹性阶段。 (2)隔震结构多遇地震时层间位移最大值为 1.35 mm,层间位移角在1/550以下,隔震结构罕 遇地震时层间位移最大值为6.96 mm,层间位移角 在1/50以下,不会出现因为层问位移角过大而导 致结构破坏的现象。 (3)该隔震结构的隔震层位移都明显大于上 部结构的层间位移,为了限制隔震层不至产生过大 的位移,要求橡胶支座既要具有合适水平刚度,又 要具有一定的阻尼。 表5层间位移峰值表 Table 5 Table of interlayer displacement peak mm 层数 一层 1.35 6.78 20 6.96 26.78 26 二层 1.42 5.92 24 5.14 22.37 23 三层 1.32 5.31 25 3.73 18.65 20 四层0.94 4.27 22 3.98 15.31 26 五层0.89 3.45 26 2.55 10.62 24 六层0.52 2.23 23 2.24 7.48 3O 七层0.43 1.75 25 1.46 5.23 28 八层0.24 0.92 26 0.89 3.42 26 隔震层42 240 3 阻尼比对隔震结构的影响 为了讨论基础隔震系统的阻尼比对框架结构 加速度峰值反应的影响,固定上部结构的阻尼比 。=0.05,改变隔震系统的阻尼比 ,虽然实际上 。总是大于0.05,但为了完整,考虑 从0到0.5 的整个范围,图5所示为顶层峰值绝对加速度反应 随隔震系统阻尼比的变化关系。从图5可见:当 =0.3—0.035时,其结构顶部峰值绝对加速度达 到较小值;当 <0.30时,其结构顶部峰值加速 度随 的增大而迅速减小;当 >0.3时,其结构 顶部峰值加速度随着 的增大而增大。因此采用 适当的基础隔震系统的阻尼比,可以有效降低加速 度的峰值。 2 1 是 图5 隔震系统阻尼比对顶层峰值绝对加速度的影响 Fig.5 Effect of isolation system damping ratio on peak ab— solute acceleration of the top 第4期 蔡勇,等:夹层橡胶垫基础隔震框架结构非线性时程分析 4结论 (1)采用隔震技术,可以延长混凝土框架结构 的自振周期,避开建筑场地的卓越周期,减少共振 的发生。随着混凝土框架结构自振周期的延长,结 构地震影响系数从曲线的平台段,转移到下降段, 结构总地震反应得以有效降低。 (2)采用隔震装置后,结构的第一振型起决定 性作用,各楼层的相对侧移很小;各楼层的最大绝 对加速度明显减小,并且上部绝对加速度基本相 同,从而使相对加速度减小。 (3)在地震作用下隔震结构的基底剪力、上部 结构的层间剪力,比不隔震时大幅度降低,而且隔 震层的水平刚度越低,隔震效果越明显,但隔震层 位移随之增大,需增大隔震阻尼来减小位移。 (4)采用基础隔震技术,可减小上部框架结构 的地震反应,因此钢筋混凝土框架结构的抗震要求 可减低,从而降低了工程造价,并改善房屋的使用 功能。 参考文献: [1]刘英利,党希滨,杨平等.基础隔震结构的非线性动力 分析[J].世界地震工程,2007,23(2):107—111. 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