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摘要：本文通過有限元分析軟件ETABS對其進(jìn)行動(dòng)力性能分析，對比了地震作用下隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的樓層平均剪力值、層間剪力比等，并研究了罕遇地震作用下隔震層支座位移及內(nèi)力，得出與非隔震框架結(jié)構(gòu)相比，底層隔震框架結(jié)構(gòu)的周期延長，層剪力，位移，底層軸力均變小。說明采用隔震支座能有效地減小地震荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。...

 高烈度地震區(qū)建筑隔震方法設(shè)計(jì)與分析實(shí)例

張玲 雷珂娜

柳州東方工程橡膠制品有限公司 

陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

    一、引言

    1、隔震技術(shù)及其研究和應(yīng)用成果介紹

    我國地震頻繁，是地震大國也是震災(zāi)大國，地震災(zāi)害對建筑物造成的損害是巨大的，為此我國就城市建筑和抗震標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，但經(jīng)歷了汶川地震后，我們?nèi)匀豢吹酱罅拷ㄖ�物倒塌以及各種程度的不可修復(fù)的損壞，特別是部分校舍的坍塌，值得我們深思。如何減輕地震災(zāi)害，特別是一些特大、突發(fā)性強(qiáng)的地震帶來的不可預(yù)測的損失，對我們來說很重要。目前，部分發(fā)達(dá)地區(qū)和一些發(fā)達(dá)國家較為推廣的并且得到驗(yàn)證的有效工程措施就是建筑結(jié)構(gòu)的減隔震技術(shù)。因此，對高烈度地震區(qū)域的一些建筑結(jié)構(gòu)僅僅局限于抗震設(shè)防是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，進(jìn)行有效地減隔震保護(hù)是非常迫切的。從各國家的建筑減隔震技術(shù)應(yīng)用情況來看，高于抗震設(shè)防烈度8級(jí)（0.3g）的建筑采用隔震設(shè)計(jì)，除了改善高烈度區(qū)域建筑的整體抗震性能，還可以有效地降低建筑成本。

    以某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，采用基層隔震技術(shù)，即在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層來降低傳入上部結(jié)構(gòu)的地震力。

    對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程有限元分析，優(yōu)化該建筑隔震支座的設(shè)計(jì)參數(shù)和布置，同時(shí)檢驗(yàn)該建筑在地震作用下能否滿足預(yù)期的功能要求，從理論上對該建筑的減隔震效果進(jìn)行研究。

    二、工程簡介

    1 、工程介紹

    該建筑為7層框架結(jié)構(gòu)，底層層高為4.2m，頂層樓梯間層高為4.5m，其余層層高均為3.9m，總高度為28.15 m，高寬比為2，建筑平面長度較大。采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，丙類建筑。該建筑場地地震基本烈度為8度、設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.30g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類；基本風(fēng)壓按50年一遇的基本風(fēng)壓采用，取ω=0.40 kN/m2 。地面粗糙度B類。

    本項(xiàng)目隔震設(shè)計(jì)方案采用基礎(chǔ)隔震，支座采用有效直徑為600mm、700mm的橡膠隔震支座（其中JZY為無鉛型建筑隔震橡膠支座，JZY1Q為鉛芯型建筑隔震橡膠支座）。支座布置圖如圖1所示，支座均為橡膠隔震支座。

圖1 隔震橡膠支座的平面布置圖

    2、有限元計(jì)算模型

    采用有限元程序ETABS對該建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立和動(dòng)力分析，模型中梁、柱采用桿單元模擬，樓板采用膜單元模擬，材料選混凝土C30，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)采用6個(gè)方向支點(diǎn)約束；建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)基層支座采用塑性連接單元Isolator1來模擬，其在ETABS程序中需要定義彈性剛度、屈服后剛度比和屈服荷載。采用空間桿單元模擬梁，考慮翼緣作用影響，樓面梁剛度增大系數(shù)取1.3~2.0。該結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型簡圖如圖2所示。

 

圖2 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型圖

    3、模態(tài)分析

    利用Ritz向量法分別對隔震結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，分別求出前20階的陣型和周期，抗震結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比為0.88，抗震性能良好；比較前三階周期如表1所示，多遇地震下隔震結(jié)構(gòu)周期是抗震結(jié)構(gòu)周期的3倍多，有效避開地震地面運(yùn)動(dòng)的主要攜能頻帶范圍，隔震層在罕遇地震時(shí)，變形增大，剛度減小，基本周期將進(jìn)一步延長，減少傳入上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，達(dá)到很好的隔震效果。

表1 結(jié)構(gòu)周期對比表

     三、分析用地震波

    在進(jìn)行該建筑的地震時(shí)程響應(yīng)計(jì)算時(shí)，我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011－2010）規(guī)定，應(yīng)采用多條地震波進(jìn)行計(jì)算分析，在時(shí)程分析時(shí)地震波的選取必須按照場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于三組的強(qiáng)震記錄，當(dāng)取七組及七組以上的時(shí)程曲線輸入時(shí)，計(jì)算結(jié)構(gòu)可取時(shí)程法的平均值。該結(jié)構(gòu)選取7條地震波進(jìn)行時(shí)程分析。分別是5條天然波：Elcentro波、EUR波、Northbrige波、SAN波和Taft波，兩條人工波：RGB1波和RGB2波。在彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均超過振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均達(dá)到振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%以上。

    四、時(shí)程分析結(jié)果

    1、多遇地震下的結(jié)果分析

    結(jié)構(gòu)輸入抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度地震波，時(shí)程分析結(jié)果得出抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，比較抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的樓層剪力平均值（如表2所示），和層間剪力比值（如表3所示），從各層剪力比值可以看出，水平地震影響系數(shù)最大值為0.33。由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）12.2.5條中公式可計(jì)算出隔震后結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用時(shí)的地震影響系數(shù)最大值為0.096，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）12.2.7條可得出采用隔震技術(shù)后上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施可降一度設(shè)防烈度進(jìn)行設(shè)。

表2  結(jié)構(gòu)層間剪力平均值/（KN）

表3  層間剪力比

    2、隔震設(shè)計(jì)安全性評估

    在罕遇地震作用下，隔震層層位移量，如圖表4所示。

    按照隔震支座的極限水平變位應(yīng)小于其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值進(jìn)行驗(yàn)算，罕遇地震作用時(shí)隔震層最大層間位移285mm<330mm，可以滿足隔震支座高度在罕遇地震作用下的可靠性和穩(wěn)定性。罕遇地震作用下，對隔震結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，隔震支座節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖1所示，計(jì)算各種工況下最大軸力值（如表5所示）和最小軸力值（如表6所示）。

表4支座位移響應(yīng)/（mm）

表5支座軸力極大值/（kN）

    隔震支座在罕遇地震作用下支座壓應(yīng)力滿足隔震設(shè)計(jì)要求。

    通過對隔震支座軸向力進(jìn)行組合，驗(yàn)算隔震支座是否出現(xiàn)拉力情況，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）隔震支座在罕遇地震作用下支座拉應(yīng)力小于1MPa的要求。

表6支座極小值/（kN）

    隔震支座在罕遇地震作用下支座拉應(yīng)力小于1MPa，滿足隔震設(shè)計(jì)要求。

    五、結(jié)論

    1、通過模態(tài)分析可得出，隔震結(jié)構(gòu)相比較于抗震結(jié)構(gòu)周期大大增加，周期越大，結(jié)構(gòu)的基本周期越好地規(guī)避建筑場地的卓越周期，減弱地震對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

   （2）通過依次對抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)依次輸入x，y方向的7條地震波進(jìn)行地震反應(yīng)分析，得到多遇地震作用下的各層剪力比，隔震結(jié)構(gòu)各樓層間剪力比抗震結(jié)構(gòu)各樓層剪力均減小，橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)能較好地降低結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)，減小了地震對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

   （3）隔震建筑隔震層以上的結(jié)構(gòu)在8度（0.3g）設(shè)計(jì)地震作用下各樓層地震剪力，均小于未隔震結(jié)構(gòu)在8度（0.3g）設(shè)計(jì)地震作用下樓層地震剪力的0.33倍。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010的規(guī)定，本工程隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平向地震影響系數(shù)取為0.096，即隔震層以上結(jié)構(gòu)可降低1度進(jìn)行抗震設(shè)防。

   （4）結(jié)果給出隔震支座在罕遇地震作用下隔震層最大位移285mm，小于隔震支座的極限水平變位330mm 。隔震設(shè)防可以滿足隔震支座在罕遇地震作用下的可靠性和穩(wěn)定性。

   （5）隔震支座豎向承載力和受拉情況均滿足規(guī)范要求。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)    文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)

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