论文1-框架结构基础隔震分析-建筑结构格式

1框架结构基础隔震分析栗增欣，董 煜（中国建筑科学研究院，北京 100013）摘要 基础技术通过设置具有较小水平刚度和较大阻尼比的隔震层，来控制地震振动向上部结构的传播，以达到减小结构地震反应的目的。基础隔震技术以其行之有效、简单方便、经济实用等优势，得到了工程界的认可与欢迎。本文选取一个六层框架结构隔震结构为研究对象，将其简化为单质点隔震模型并进行了理论分析；利用 ETABS 对某框架结构采用隔震支座前后进行了对比分析。结果表明：对于一般的多层隔震结构，隔震层的水平刚度越小，上部结构的加速度响应减小的越多；隔震层的阻尼比越小，上部结构的加速度响应减小的越多，但位移反应越大。与传统抗震结构相比，隔震结构的自振周期有较大程度的延长，侧移有较大幅度的增大，而隔震结构的层间侧移和楼层剪力有较大幅度的减小；结构的侧移主要集中在隔震层。关键词 基础隔震；ETABS；框架结构；反应谱分析中图分类号：TU375.4 文献标识码 ：A 文章编号：1002-848X （）作者简介：栗增欣，硕士，工程师，Email：Lee_CABR163.com。*本课题受中国建筑科学研究院青年科研基金：高抗震设防烈度区隔震结构应用研究（20122002331030114）项目资助。The analysis on frame structure of base isolationLi Zengxin, Dong Yu(China Academy of Building, Beijing 100013, China)Abstract: The technology of seismic isolation, by installing isolation layer between the base and the upper structure, is used to isolate seismic energy so that it can reduce the seismic response of the structure. In all kinds of seismic isolation measures, base isolation technology is accepted and popular in the field of engineering, because of the feature simplification, facility, efficacy and economy. In this thesis, a six-story framed structure, which is simplified as single-degree-of-freedom model, is studied. The dynamic equilibrium equation of the model is established and the solution is analyzed. In addition, the response of the non-isolation structure and the base-isolation structure of the frame structure are analyzed based on ETABS finite element analysis program. Analytic results indicated that the smaller horizontal stiffness of the isolation layer, the more acceleration decreases of upper structure. And the smaller damping ratio of the isolation layer, the more acceleration decreases of upper structure and the larger displacement. Compared with the traditional seismic structure, the inherent period of base-isolation structure is extended and the story displacement and the story shear force of the upper structure significantly decreases. And the deformation is concentrated on isolation layer.Keywords: base isolation; ETABS; frame structure; spectrum analysis1 前言基础隔震结构是指在建筑物上部结构与基础之间设置隔震层，以延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼、减小输入上部结构的地震作用，达到预期的防震作用 1。目前实际应用的隔震装置基本有三大类，即叠层橡胶支座、摩擦滑移隔震元件、以及滚动摆、滚珠、滚轴元件、柔性柱等，其中叠层橡胶支座应用最多。本文以多层框架为研究对象，分析了其隔震性能。2 理论分析2.1 单质点隔震体系的动力分析对于多层框架结构，房屋高度较低、高宽比较小，隔震层上部各层的水平刚度较大，隔震层的水平刚度相对很小，在地震作用下上部结构基本保持刚体平动，可将隔震建筑的上部结构视为刚体，隔震层的水平刚度和阻尼可作为整个结构的刚度和阻尼。因此，可简化为单质点隔震结构模型进行动力分析和隔震支座计算，如图 1 所示。2图 1 单质点隔震体系分析模型根据图 1，单质点模型在地震作用下的动力微分方程为 2：（1）gkxcxm式中，m上部结构的总质量；c隔震层的等效阻尼（近似代表隔震结构体系的总阻尼） ；k隔震层的水平等效刚度；x, xg分别为上部结构的绝对水平位移和地面水平位移；令 ， ，并代入mn)2(nc式（1） ，可得（2）gnnxxx2式中， , 隔震结构的固有频率、阻尼比；n设地面加速度为 ，其中 为场地特tigex征频率，并令 ， ，代入式Hn（2） ，可得i21定义 Ra 为隔震结构加速度反应的衰减比，则221gxH(3)为研究结构相对位移对结构的影响，定义 Rd为隔震结构位移反应放大比，则(4)221gdxR2.2 加速度反应衰减比的分析为了研究阻尼比 和 对隔震结构加速度反应衰减比 Ra 的影响， Ra 与两个因素的关系曲线分别列于图（2）和图（3） 。0369120 1 2 3 4Ra=0.05=0.15=0.25=0.45图 2 隔震结构 Ra- 曲线10 0.5 1=1.5=2.0=3.0=4.0Ra图 3 隔震结构 Ra-曲线由式（3）和图(2)和图(3) 可知：（1）当 时，由式（3）可得 Ra = 1，2即无论阻尼比 为何值，结构的加速度响应均不放大也不减小。（2）当 时，R a 1，即结构加速度响应被放大，并且 = 1 时，R a 达到最大值。若阻尼比 = 0，R a 趋向于+ ，即结构将发生共振。随着阻尼比 的增大，R a 呈现减小的趋势，且在 = 1左右时，阻尼比 的影响最大。（3）当 时，R a 1 时，随着 的增大，R d 呈现减小的趋势；随着阻尼比 的增大， Rd 呈现减小的趋势。综上所述，对于一般的多层隔震结构均能满足 1.5，故隔震层的水平刚度 k 越小，结构的自振频率 n 也越小，上部结构的加速度响应减小的越多。隔震层的阻尼比 越小，上部结构的加速度响应减小的越多，然而上部结构的位移反应越大，隔震支座将可能破坏。因此，合理选取隔震支座的水平刚度和阻尼比，是隔震结构减震设计的关键。3 有限元分析3.1 工程概况本文以某六层钢筋混凝土框架结构进行分析，结构长 52.65m，宽 18.0m，总高度为 18m，各层层高均为 3m，楼板厚度均为 100mm，框架梁截面均为 300mm600mm，框架柱截面均为500mm500mm，结构的梁板柱均采用 C30 混凝土。结构长边共 9 跨，每跨跨度 5.85m；短边为 3跨，跨度分别为 7.8m、2.4m、7.8m，标准层的结构平面图，如图 6 所示。结构抗震设防烈度为 8度（0.20g） ，设计地震分组为第一组，类场地。图 6 结构平面布置图本文所选模型中采用铅芯叠层橡胶隔震支座，选用直径 500 和 600 的两个型号，相关参数如下表所示。隔震层刚度中心与上部结构的质量中心基本重合，隔震支座布置在底层柱底。隔震支座性能参数 表 1性能指标LRB500 LRB600橡胶剪切弹性模量/ Nmm -2 0.392 0.392基准面压/ MPa 10 13设计荷载/ kN 1963 3676竖向刚度/ kNmm-1 1870 2445水平等效刚度/ kNmm 1.279 1.446等效阻尼比/ % 23.9 21.9屈服后刚度/ kNmm-1 0.772 0.924屈服力/ kN 50.7 62.6界限变形/ % 400 4003.2 分析软件及模型本文采用有限元软件 ETABS 进行建模分析，结构中的梁、柱采用框架单元模拟，楼板采用壳单元模拟，隔震支座采用连接单元 Isolator1 模拟，该单元具有双向耦合的非线性剪切变形属性 3。三维结构模型见下图。图 7 结构三维计算模型3.3 模型的验证采用隔震支座后，ETABS 模型计算的隔震结构第一阶自振周期为 2.2835s。根据抗震规范1的公式，隔震结构的基本周期为：81.95603421 gKGThs78.两种相差 4.6%，可见隔震结构的 ETABS 模型是可信的。3.4 模态分析建立结构的三维模型，对基础未采用隔震支座和采用隔震支座的结构做模态分析，得出传统抗震结构和隔震结构的自振周期，见图 8。00.511.522.51 2 3 4 5 6 7 8 9 10T隔 震T抗 震T/s振 型图 8 自振周期对比4由图 8 可知：采用隔震支座的结构自振周期较传统抗震结构的自振周期有明显增加，其中前三阶自振周期均增加约 200%左右。采用隔震支座后，结构的自振周期远离场地的特征周期，因此结构所受到的地震动也大幅减小。3.5 反应谱分析01234560 10 20 30 40 50 60隔 震抗 震楼层位 移 /mm图 9 反应谱工况 X 向总位移对比01234560 10 20 30 40 50 60隔 震抗 震楼层位 移 /mm图 10 反应谱工况下 Y 向总位移对比1234560 1 2 3 4 5隔 震抗 震楼层位 移 /mm图 11 反应谱工况下 X 向层间位移对比1234560 1 2 3 4 5隔 震抗 震楼层位 移/mm图 12 反应谱工况下 Y 向层间位移对比1234560 1000 2000 3000 4000隔 震抗 震楼层楼 层 剪 力 /kN图 13 反应谱工况下 X 向楼层剪力对比1234560 1000 2000 3000 4000隔 震抗 震楼层楼 层 剪 力 /kN图 14 反应谱工况下 Y 向楼层剪力对比由上图可知：（1）反应谱工况下抗震结构和隔震结构在平面两方向的总位移和层间位移均有明显的不同。与传统抗震结构的侧移相比，隔震结构的侧移有较大幅度的增大，但结构的侧移主要集中在隔震层。隔震结构的层间位移比抗震结构的层间位移减小较多，第二层的层间位移的减小幅度最大。（2）与传统抗震结构的楼层剪力相比，反应谱工况下隔震结构的两方向楼层剪力有较大幅度的减小。第二层的楼层剪力的减小幅度最大，减小达 55%左右。3 结论本文对简化为单质点模型的隔震结构性能进行了理论分析，并推导了结构在水平地震作用下的动力方程。利用结构分析软件 ETABS，对某六5层框架结构进行了计算分析。通过数据对比，得出了以下结论：（1）隔震层的水平刚度 k 越小，上部结构的加速度响应减小的越多。隔震层的阻尼比 越小，上部结构的加速度响应减小的越多，然而隔震层的