高烈度区高层隔震结构抗拉处理方法研究.docx

*高烈度区高层隔震结构抗拉处理方法研究吴从晓1 ，赖伟山1 ，周云1 ，吴从永2 ，邓雪松1( 1 广州大学土木工程学院，广州 510006; 2 广州大学建筑设计研究院，广州 510405)摘要: 介绍了高层隔震结构抗倾覆计算方法，提出了高烈度区高层隔震结构抗拉处理方法，给出了其在 etabs 软件中的模拟方法。通过实例对高烈度区高层非隔震结构和隔震结构的不同模型进行了动力时程分析。分析结果 表明: 各隔震结构模型周期基本相同，说明抗拉处理方法模拟是可行的; 对于高烈度区高层隔震结构，当隔震支座 出现拉力时，直接采用软件的单元进行模拟是不够合理的，应采用组合单元进行模拟; 抗拉装置能较好地发挥抗拉 的效果，避免隔震支座出现受拉情况。关键词: 高层结构; 隔震支座; 抗拉装置中图分类号: tu352 1文献标识码: a文章编号: 1672-2132( 2014) 05-0577-06study on tension processing method of isolated tall building structuresin high seismic egionswu cong-xiao1 ，lai wei-shan1 ，zhou yun1 ，wu cong-yong2 ，deng xue-song1( 1 school of civil engineering，guangzhou university，guangzhou 510006，china;2 architecture design institute，guangzhou university，guangzhou 510405，china)abstract: overturning resistant method of the high-level isolation structure is introduced and the corre-sponding tension processing method concerning the isolation structure in the high seismic regions is put forward the implementation of the presented method is achieved in the software etabs dynamic time- history analyses on models of non-isolated and isolated high-level structures in the high seismic regions are carried out based on practical engineering it is indicated that the tension processing method is feasi- ble for the fundamental period of these different isolated models behaves similarly in the test moreover， in high seismic regions，its recommended to use composited element in the software etabs because its unreasonable to use the common element directly when the isolated bearings are tensioned tensile device can show good tension resistance in avoiding the tension in isolation bearingskey words: high-level building structure; isolation bearing; tensile device* 收稿日期: 2013-04-20; 修回日期: 2013-08-31基金项目: 国家自然科学基金项目( 51208128) 、广东省自然科学基金团队项目( 8351009101000001 ) 、广东省高等学校 科技创新项目( 2013kjcx0145) 资助作者简介: 吴从晓( 1981-) ，男，讲师，博士。主要从事高层结构抗震与减震方面的研究。email: wu-congxiao 163 com防灾减灾工程学报 第 34 卷578式中 ms 为水平地震作用在隔震层上部结构形成的倾覆弯矩;hi 为隔震上部结构第 i 层距离隔震层的高 度;ei 为隔震支座的弹性模量;kv 为隔震层最外边一侧所有隔震支座的总 竖向刚度;ai 为隔震层最外边一侧所有隔震支座的总 面积;hi 为隔震支座高度;x i 为第 i 层楼面相对于地面加速度;x g 为地震输入加速度;b 为结构一半宽度;a 为在结构一半宽度中布置的橡胶支座排数r的函数，a = ( l / r) 2 ，其中 r 为结构一半宽度中l = 1布置的橡胶支座排数，如 r = 3，则 l 从 1 取到 3;k 为转换层下部框架剪力墙结构的层数。由以上分析可以得出高层隔震结构体系最外层 隔震支座的轴向力:引 言隔震技术通过在结构基底或下部结构与上部结 构之间安装刚度很小的柔性装置来延长结构的自振 周期，以减小结构的水平地震作用1，2。研究结果表 明，隔震技术是减小结构地震反应最为有效的方式之 一，广泛应用于各类中低层建筑中，取得了良好的减 震效果，且已逐步应用到高层建筑，如四川凯德风 尚3( 地上 20 层，高度为 57 95 m) 、日本仙台森大厦 ( 地下 2 层，地上 18 层，高度为 84 19 m) 4等都采用 隔震技术控制结构的地震反应。越来越多高层建筑采用隔震技术的同时，也显 现了一些问题，如高层建筑周期较长，采用隔震技术 后再延长结构周期是否有隔震效果; 高层建筑在水 平地震作用下倾覆效应明显，隔震支座可能会出现 拉应力等。本文针对高层隔震建筑在水平地震作用 下隔震支座易出现拉力的问题，给出一种结构抗拉 处理方法，对其在软件中的模拟方法进行了研究，并 对采用该种方法的隔震结构进行分析，验证模拟方 法的可行性及抗拉方法的合理性。s = ( s + z ) b( 3)计算分析在进行高层隔震结构抗倾覆计算时，需考虑水 平地震和竖向地震作用对上部结构的影响，分析前 先假定:( 1) 隔震层位置隔震支座的水平位移都相同;( 2) 隔震支座在竖向地震作用下承受的竖向力 相同。在以上假定的基础上，隔震结构在地震作用下 的倾覆弯矩为t1fms kv= / s式中 s 为隔震层最外层隔震支座的竖向位移;fm 为隔震层最外层单个隔震支座的轴向力;s 为最外层隔震支座数量;z 为竖向力作用下隔震层以下结构产生的 转角，基础隔震结构 z = 0。结构在竖向地震作用下的总竖向力为ng = mi ( g + y y g )( 4)i = k +1为竖向地震作用引起的绝对加速度;y y式中= nj ( 1)gmg 为重力加速度。于是，可计算得隔震层最外层单个隔震支座承 受的竖向力:j = 1式中 nj 为第 j 个隔震支座的竖向作用力; 为隔震层水平位移;t 为隔震支座数量;m 为隔震结构倾覆弯矩。根据文献5，6 ，隔震层上部结构对隔震层的 转角为( 5)fg = g / t式中 t 为隔震支座数量。7由建筑抗震设计规范 中规定，可得橡胶隔fc ( 甲类建筑为 10 mpa、乙震支座的压应力限值ms s=类建筑为 12 mpa、丙类建筑为 15 mpa) 和拉应力限22kv abei ai值f ( 不大于 1 mpa) ，则( 2)tkv=ff + f f ahngmci( 6) f f a msgmt= mi ( x i + x g ) hii = k +1式中 a 为单个隔震支座的面积。第 5 期吴从晓等: 高烈度区高层隔震结构抗拉处理方法研究579结构抗拉装置9( 图 2) 是 2 根拉杆的上部固定在与上部结构一体的隔震结构梁上，下端利用横杆 反兜于隔震专用梁的下部，同时在横杠的上表面与 隔震专用梁下表面之间设一橡胶块，避免构件之间 的硬接触，因此，高层建筑上部的竖向荷载完全作用 在隔震支座上。在强烈地震作用时，高层建筑在水 平荷载作用下，会产生较大的倾覆弯矩并引起隔震 支座出现竖向拉力，由于隔震支座的竖向受拉刚度 较小，支座出现拉力时会导致支座发生较明显的变 形，使抗拉装置的横杆与隔震专用梁接触，而倾覆弯 矩引起的竖向拉力经拉杆传递到隔震结构梁上，确 保隔震支座不会出现过大的拉力，保证结构安全。由式( 6) 可知，对于高层隔震结构体系，在隔震层最外层隔震支座受拉应力和全部隔震支座受压应 力均在规范限值内时，可以保证在地震作用下整体 结构不倾覆，从而满足结构高宽比的要求。以上分 析是以隔震支座不具有抗拉性能为前提的，但采用 隔震技术的高层建筑，由于水平地震作用产生的倾 覆弯矩较大，很难避免隔震支座不出现受拉情况。 为此，众多学者研究出了具有抗拉性能的隔震支座， 如果抗拉支座能满足式( 6 ) 的要求，则该种结构体 系的抗倾覆性能将会得到明显的提高。高层隔震结构抗拉装置2隔震结构中所采用的抗拉装置种类较多，现介绍 2 种在实际工程中操作比较方便的抗拉装置，即 抗拉橡胶隔震支座和结构抗拉装置。抗拉橡胶隔震支座( 图 1) 8是将隔震支座的连 接板做大( 长宽分别约大于柱头 200 mm) ，在连接 板上开孔并穿上拉杆，拉杆的长度大于支座总高度 ( 具体长度通过计算确定) ，当隔震结构在罕遇地震 作用下发生变形时，拉杆由竖直变为斜向而与上下连接板接触，使支座受到的竖向拉力由拉杆来承担。图 2 结构抗拉装置fig 2 tensile device算例3本文采用的分析模型为 14 层剪力墙结构，结构总高度为 45 8 m( 包括 0 8 m 的隔震层高度) ，长 40 m，宽 24 m，结构层层高为 3 m，模型的平面如图 3 ( b) 所示，结构构件参数和抗震参数如表 1 所示。根据隔震层柱在恒载和活载作用下的轴力标准 值、结构抗风设计、扭转变形和水平位移的要求，初步 确定结构采用直径为 600 mm 和 800 mm 的铅芯橡胶 隔震支座( lb) 和普通橡胶隔震支座( ln) ，结构中 共布置了隔震支座 90 个，其中 ln600 支座 60 个、 lb800 支座 30 个，隔震支座产品的参数见表 2，结构 隔震支座及抗拉装置布置如图 3( a) 所示。采用 etabs 软件对结构进行了有限元非线性 时程分析。程序中，梁、柱采用空间梁单元，墙采用 空间壳单元，楼板采用膜结构，并考虑边界线约束; 橡胶隔震支座采用非线性单元isolator1 单元模 拟，该单元采用的是 wen 模型，模型中 exp 为 wen 模图 1 抗拉橡胶隔震支座fig 1 tensile rubber isolation bearings防灾减灾工程学报 第 34 卷580表 1 模型参数table 1 model parameters设防烈度场地类别场地特征周期 / s结构总高 / m隔震层梁 其它梁截面截面 / mm / mm隔震层柱墩截面 / mm隔震层楼板厚度 / mm上部楼板厚度 / mm上部剪力墙截面 / mm250 5001000 10002509 ii0 35 45 8 400 800160120 250 600 800 800 400( 电梯井) 表 2 隔震支座参数table 2 parameters of isolation rubber100% 剪切变形橡胶层 有效面厚度 / mm 积 / cm2竖向刚度/ ( knmm 1 )竖向承载力 / kn( 面压 / mpa)铅芯直径/ mm型号弹性刚度/ ( knm 1 )屈服力/ kn屈服后刚度/ ( knm 1 )3392( 15)6030( 15)30( 中孔)160ln600lb8001101602827502629034335143911046167 51699型指数，也称屈服尖锐度指数，算例分析时取 1; k 为隔震支座的水平位移。其具体参数见文献10 ，其模型如图 4 所示。隔震支座弹性刚度; fu 为隔震支座的水平力;du 为图 4 隔震支座力学模型fig 4 mechanical model of isolation bearing没有布置隔震支座的模型定义为非隔震模型。直接采用软件中 isolator1 单元模拟隔震支座的模型 定义为隔震模型 1 ( 隔震支座的抗压刚度和抗拉刚 度相同，拉压刚度都取表 2 中支座的竖向刚度) 。结构中所有隔震支座都采用抗拉橡胶支座的模 型定义为隔震模型 2，其中抗震隔震支座采用 isola- tor1( 隔震支座单元) 单元和 gap 单元( 缝单元) 并联 组合模拟，isolator1 单元的竖向刚度采用支座的抗 拉刚度( 约为支座抗压刚度的 1 /1011 ) ，gap 单元 中的刚度采用隔震支座的竖向刚度减去抗拉刚度的 值。结构中布置抗拉装置的模型定义为隔震模型3，其中隔震支座采用 isolator1 单元和 gap 单元并联 组合模拟，isolator1 单元的竖向刚度取较小值，gap 单元中的刚度采用隔震支座的竖向抗压刚度，结构 抗拉装置采用 hook 单元( 钩单元) 模型，其竖向刚 度通过计算选取 950 kn / mm，其布置见图 3。选取 el centro 波( el) 、神户波( kobe) 为输入图 3 模型平面fig 3 plan drawings第 5 期吴从晓等: 高烈度区高层隔震结构抗拉处理方法研究581地震波，采用 x 向为主方向输入，地震峰值加速度选取罕遇地震作用情况，即 pga = 620 cm / s2 。( 1) 结构特征。非隔震模型和隔震结构的前 3阶振型计算结果如表 3 所示。表 3 模型振型周期table 3 period and vibration mode of structure单位: s为短柱) 的竖向拉力如表 4 所示。从表中可以看出，非隔震结构中短柱在地震作用下产生的竖向拉 力最大，最小为隔震模型 3。隔震模型 1 中，隔震支 座的竖向拉压刚度相同，计算出的隔震支座拉力也 较大，但隔震支座的拉压刚度是不相同的，分析隔震 结构时，在隔震支座会出现拉力的情况下，若直接采 用软件中 isolator1 单元进行模拟，会使隔震支座计 算出的竖向拉力比实际产生的拉力要大。因此，在 分析时直接采用 isolator1 单元模拟是不合理的，应 该采用 isolator1 单元和 gap 单元组合进行模拟。隔震模型 2 中采用的是抗拉隔震支座，只有当 隔震支座达到预定的变形时，抗拉杆才能起作用，在 未达到预定变形时，结构倾覆弯矩引起的隔震支座 的拉力无法由抗拉支座中布置的拉杆来承担，隔震 支座还是会承担较大的拉力，因此该种模型还是不 能完全保证隔震支座不出现拉力的现象。隔震模型 3 中隔震支座的拉力较小，在计算分 析时可忽略不计，结构产生的拉力全部由抗拉装置 承担，抗拉装置 l122 在 el 波作用下的拉力如图 5 所示。抗拉装置 l121、l122 和 l123 在 el 波作用 下的拉力最大值分别为 193、162、193 kn，在 kobe 波作用下的最大拉力分别为 51、43、51 kn。振型非隔震结构隔震模型 1隔震模型 2隔震模型 30 8240( y-90% )0 7950( x-90% )0 68422 0773( y-100% )2 0749( x-100% )1 90582 0773( y-100% )2 0749( x-100% )1 90582 0750( y-100% )2 0727( x-100% )1 9054123 ( z-89% ) ( z-100% ) ( z-100% ) ( z-100% ) 注: 括号内数值为质量参与系数从表中可以看出，隔震后前 3 阶振型的质量参与系数明显增大，前 2 阶振型基本为平动反应; 隔震 结构的周期明显较非隔震结构大，即周期从 0 8240 s 延长至 2 0773 s，增大了约 2 5 倍。隔震模型中周 期基本相同，表明采用本文给出的抗拉隔震支座的 模拟模型是合理的。( 2)隔震支座竖向拉力。在水平地震作用下，4个模型隔震层 6 轴轴线上隔震支座 ( 非隔震结构中表 4 结构 6 轴隔震支座拉力table 4 axial force of 6th isolated bear in the structure单位: knel 波kobe 波编号非隔震隔震模型 1隔震模型 2隔震模型 3非隔震隔震模型 1隔震模型 2隔震模型 3lb800-1lb800-2lb800-3lb800-45909 065935 335936 745906 122117 691930 191930 482117 04209 42191 68191 71209 3100009609 559648 599650 629604 80727 61667 46667 35728 0563 8859 8859 8264 030000注: 非隔震结构隔震层为短柱结论4给出了高层隔震结构抗拉处理方法，对其结构进行了分析研究，得出以下结论:( 1) 各隔震结构模型周期基本相同，说明抗拉 处理方法模拟是可行的。( 2) 对于高烈度区高层隔震结构，当隔震支座 出现拉力时，直接采用软件的 isolatorl 单元进行模 拟是不够合理的，应采用组合单元进行模拟。( 3) 抗拉装置能较好地发挥抗拉的效果，避免 隔震支座出现受拉情况。图 5 el 波作用下 l122 的轴力fig 5 axial force of l122 column under el seismic waves防灾减灾工程学报 第 34 卷582比限值 的 影 响 分 析j 沈阳建筑工程学院学 报，2002，18( 2) : 81-84wu x x，sun l，li h n analysis of effect of vertical motion on the limit ratio of height to width of base isolated structuresj journal of shenyang architecture and civil engineering university，2002，18( 2) : 81-84gb 50011-2010，建筑抗震设计规范s苏 斌，晏 音，曾志攀，等 四川彭州人民医院病房 综合楼基础隔震结构设计j 福建建筑，2011，152( 2) ，48-52su b，yan y，zeng zh p，et al design on base-isolation structure of sichuan province pengzhou city hospitalj fujian architecture and construction，2011，152( 2) : 48-52吴从晓，周 云，邓雪松 一种高层建筑的隔震结构p 中国，201120193990 7wu c x，zhou y，deng x s isolating high-level build- ingp china，201120193990 7参考文献:1higashino m，okamoto s esponse control and seismicisolation of buildingsm london: taylor francisgroup，2006周福霖 工程结构减震控制m 北京: 地震出版社，1997zhou f l engineering structure vibration controlm beijing: seismological press，1997肖从真，薛彦涛，曾德民，等 成都凯德风尚高层建筑隔震设计与研究j 建筑结构，2009，39( 6) : 93-97 xiao c zh，xue y t，zeng d m，et al esearch on de- sign of base-isola