山地框架结构隔震技术的运用探讨

1、 研究生课程考核试卷(适用于课程论文、提交报告科目:减震控制教师:姓名:学号: 20131602037t专业:结构工程类别:学术硕士上课时间: 2014 年 3 月至2014 年 6月考生成绩: 阅卷评语:山地框架结构隔震技术的运用探讨摘要:山地建筑的规化布局、结构模式、技术经济指标均不同于平地建筑。本文针对山地框架结构,探讨了两种常见的框架结构形式,分别分析了各自在底部刚接、底部隔震及二层隔震共六种模型的振型周期,并运用SAP2000建模进行地震反应时程分析,对比了六种模型的楼层绝对加速度、楼层绝对位移、层间位移角及顶点速度随时程分析的具体变化,得到结论:一、隔震结构在地震反应分析中绝大多数

2、参数指标显著优于抗震结构(即底部刚接;二、四种不同的隔震布置方案中,又以传统底部隔震方案的隔震效果最佳;三、传统二层隔震和平台二层隔震绝大多数指标参数十分接近,误差在百分之一以内,可以知道,当选取的橡胶隔震支座水平刚度及屈服力合适时,山地结构隔震层以下无论采取何种结构形式与地面刚接,都不会对框架结构整体抗震性能有明显的影响。关键词:隔震技术;山地建筑;SAP2000; 时程分析引言受地形、地貌、经济、功能等方面的综合约束,山地建筑的规化布局、结构模式、技术经济指标均有别于平地建筑。于是,充分利用建筑所在地的地形地貌,尽量契合山地的起伏变化,避免破坏原有自然景观,因地制宜地将建筑融入自然环境,已

3、成为山地建筑创作的首要设计理念。隔震技术即使在基础顶面与上部结构之间安装一层具有足够可靠性的隔震层,将基础与上部结构隔离开来,有效地控制地面运动向上部结构的传递,它包括上部结构、隔震装置、下部结构和基础四部分。山地建筑最常见的是掉层框架结构,掉层结构是指同一结构单元的底部位于不同标高的场地基面上,并且最高接地点以下按层高布置楼层的结构,不等高接地的特性使得掉层结构具备了在抗震分析及应用中不容忽视的特征,例如掉层层数、掉层跨数等等。不同水准地震作用时,不同结构呈现的相似但略有差异的响应,是研究山地框架结构受力特点及抗震性能的基础。本文主要研究两种常见的掉层结构,通过不同的橡胶隔震支座布置方案,运

4、用SAP2000 分析软件进行地震作用时程分析,研究山地框架结构的受力特点及抗震性能,一来得出传统抗震结构和隔震结构在地震作用下的对比结果,阐述隔震结构的优越性;二来得出山地框架结构在橡胶隔震支座不同布置方案下的地震作用,阐述不同布置方案的优劣性,从而为山地建筑规划提供科学依据。1 基础隔震的基本理论1.1基础隔震的基本原理基础隔震的原理可以用结构的地震反应谱来说明图1.1为一般建筑结构的加速度反应谱和位移反应谱的示意图,一般低层和中高层的钢筋混凝土建筑物刚性大,周期短,所以在地震作用下建筑物的加速度大,而位移反应小,如图中A点所示延长建筑物的周期,而阻尼保持不变则加速度反应就大大降低,但是位

5、移反应却有增加,如图B点所示;如果在延长建筑物周期的同时,加大结构的阻尼,则在加速度反应减小的同时位移反应也得到了抑制这就是图中的C点由此可见,延长结构的周期,并给予适当的阻尼将降低结构对地震的反应,使得结构的大位移主要集中在结构物底部与基础之间的隔震装置上,上部结构层间相对位移很小,仅像刚体那样作轻微的平动,从而保障了建筑物内人员!设备的安全基础隔震的基本原理是:一方面改变了上部结构与基础之间的原有支承条件,使上部结构的基本自振周期延长(2s,另一方面隔震层提供了比较大的阻尼,从而减小上部结构的地震反应。 图1.1 基础隔震原理示意图1.2 基础隔震的基本特性为了达到明显的隔震效果和保障建筑

6、物在正常使用状态下的安全,隔震装置或隔震体系必须具各以下基本性能:(1承载特性:隔震装置具有较大的竖向承载能力,在建筑结构物使用状况下,安全支承着上部结构的所有重量和使用荷载,具备很大的竖向承载能力安全系数,确保建筑结构物在使用状况下的绝对安全和满足使用要求;(2隔震特性:理想的隔震装置应具有可变的水平刚度,在强风和微小地震作用下,具有足够的初始水平刚度,使得隔震结构在强风和微小地震作用下上部结构的水平位移极小,不影响正常使用;在中强地震发生时,隔震层屈服后的水平刚度较小上部结构整体平动,使“刚性”的抗震结构体系变为“柔性”的隔震结构体系,结构的自振周期大大延长(2s以上,远离基础固定时结构的

7、自振周期(0.2一1.0s,上部结构的地震反应明显地降低,加速度反应降低为传统结构加速度反应的1/4一1/12,隔震结构在地震作用下只做长周期的、缓慢地整体平动,上部结构只有微小的层间相对水平位移。(3复位特性:地震后,上部结构能回复到初始状态,满足正常的使用要求。(4阻尼消能特性:隔震装置应配备足够的阻尼,防止在不可预见的强震作用发生过大的位移时使隔震装置破坏“目前较多采用的阻尼装置有铅芯橡胶隔震支座!软钢阻尼器、液体阻尼器!粘弹性阻尼器以及干摩擦阻尼器等”。1.3 夹层橡胶支座隔震结构动力分析模型1.3.1 单质点模型将上部结构视为刚体的模型“由此模型可以求出隔震层在单向水平地震作用下的反

8、应”。对于基础隔震结构,其上部结构的层间刚度远远大于隔震装置的水平刚度(例如砖混结构、剪力墙结构、框剪或框架结构,则地震中上部结构的层间相对水平位移很小,结构体系的水平位移集中于基底隔震装置上部结构在地震中只作水平整体平动(如图1.2(a,如果忽略上部结构的摆动式扭转作用,则结构可简化为一个单质点隔震结构动力分析模型(如图1.2(b,并且隔震装置的刚度和阻尼可近似代表隔震结构体系的刚度和阻尼。 图1.2 单质点隔震动力分析模型图中,分别为地面水平地震加速度、速度和位移。 为上部结构水平加速度反应、速度反应和位移反应;为上部结构与基础之间(即隔震层的相对位移;M为上部结构总重量;K,C分别为隔震

9、装置的水平刚度和等效阻尼值,该阻尼近似代表隔震结构体系的总阻尼。在地震动下的结构体系动力微分方程式: (1两边除以M,得: (2式中为隔震体系的固有频率,为阻尼比。 (3 (4力反应转换函数H(w: (5转换函数的物理意义即为地震时隔震结构的地震加速度反应与地面地震加速度之比值“它表明隔震结构对地面地震加速度的衰减效果”。1.3.2 多质点模型在进行动力分析时,可以近似认为隔震结构只作平动,而忽略其竖向变形引起的摆动“实际工程中的多质点隔震结构体系大多属于这种体系”。其平动体系模型见图1.3。隔震体系可简化为层间剪切模型,以一个楼层为基本单元,把每层的竖向构件合并为一根竖杆,用楼层的等效剪切刚

10、度作为竖杆的层刚度,并将全部恒、活荷载按一定比例组合后就近集中于各层楼盖处作为一个质点,从而形成“串联质点系”振动模型这种模型的自由度数等于结构的总层数,自由度较少,计算工作量小,并且层弹性刚度以及层弹塑性恢复力特性比较容易确定层间剪切模型的基本假定有:(1楼盖在其自身平面内刚度为无穷大;(2结构中水平杆件的刚度为无穷大,不产生竖向剪弯变形;(3结构中的竖向构件在水平荷载作用下不产生轴向变形;(4不考虑上、下楼层之间力和变形的相互影响,模型的层间刚度仅决定于本楼层中各竖向构件的刚度。 1.3 多质点隔震体系动力分析模型m0结构底板的质量 结构第1,2,3,i层的质量 结构第1,2,3,i,n层

11、的水平刚度K一隔震装置橡胶垫的水平刚度C一隔震装置(橡胶垫的阻尼 分别为地面水平地震加速度、速度和位移 上部结构水平加速度反应、速度反应和位移反应 结构底层与基础面之间的水平相对加速度、速度和位移i一隔震结构的层号(1=1,2,nj一隔震结构的振型号(j=l,2,m根据达朗贝尔原理,n+1个质点的层间剪切模型的运动微分方程可写成如下形式: (6M质量矩阵: (7K一刚度矩阵: (8C阻尼矩阵,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: (9常数,可由结构体系的第i,j层的阻尼比,和自振频率,确定,取如下两式,一般i=1,j=2: (10 (111.3.3 扭转振动

12、模型假定楼板为刚性,考虑各层楼板在两个水平方向的侧向位移以及转动位移,以求出扭转振动和水平二方向输入下的反应。1.3.4 空间振动模型将整个结构视为空间骨架结构,同时考虑各柱竖向地震反应的模型,通过这一模型可以求出包含抗震墙不规则布置,部分隔震支座受拉等现象的结构反应。1.3.5 隔震支座的模型化隔震支座和阻尼器通常分别模型化为具有滞回特性的弹簧。2 算例2.1 原型结构概况某框架结构办公楼的工程概况:模型尺寸按实际尺寸输入,结构共7层,一层层高4.0m,二至七层均为3.3m,纵向柱距6000mm,横向柱距分别为6000mm, 2000mm,6000mm;一至七层的框架柱截面尺寸为500x50

13、0mm,框架楼层梁250x650mm,走道梁250x400mm,屋顶梁250x600mm,混凝土填充墙体厚度为200 mm(只需要考虑它的质量;混凝土:板、梁、柱均为C30,板厚100mm,设防烈度为8度,抗震等级为二级,场地为二类,近场,第一组。该办公楼的隔震目标为换算烈度6度,并且适当提高抵抗超烈度地震的能力。结构的一层平面图如下: 图2.1 一层结构平面图2.2 用SAP2000建立模型为了本文的分析,通过SAP2000建立了6种不同的框架结构模型,建立模型的步骤如下:1、选择三维框架模型并确定模型中的单位KN、mm;2、建立轴网;3、定义材料及梁、柱、板截面属性,绘制梁、柱并进行框架自

14、动划分,形成结构分析三维有限元模型;4、绘制楼板,楼板采用shell单元板-厚板,既受平面内的力,又受平面外的力。梁、柱、板构成的三维有限元模型如下图所示;5、加固定支座。加装修荷载,活荷载,填充墙荷载。定义质量来源,来自荷载;6、用Nlink单元中粘弹性阻尼器绘制隔震支座。此处可用一点绘制。隔震橡胶垫设置于基础顶面。其中橡胶隔离器属性如下:垂直(轴向刚度=467 kn/mm(线性各方向初始刚度=0.551 kn/mm各方向抗剪屈服力=10.5 kn抗剪屈服刚度与初始抗剪刚度比=0.1539 (a传统底部刚接模型 (b传统底部隔震模型 (c传统二层隔震模型 (d平台底部刚接模型 (e平台底部隔

15、震模型 (f平台二层隔震模型图2.2 结构分析三维SAP2000模型2.3 振型分析根据图2.2分析模型得出的6种结构模型在振型分析后得到的周期对比如下表:表2.1六种模型自振周期对比 根据表2.1的数据,采用OriginPro进行绘图如图2.3所示,更能直观地体现出6种模型之间的显著差异。由表2.1以及图2.3可以看出隔震结构的前三阶周期基本都在3s左右,相对于刚接结构有显著的增大,这是因为隔震装置具有可变的水平刚度特性,其水平刚度会因建筑物所遭遇到的地震作用的加剧而降低。即建筑物在遭遇大地震乃至特大地震时,水平刚度降低,上部结构呈水平滑动,使“刚性”的抗震体系变为“柔性”的隔震体系,自振周

16、期就大大延长了。同时对比四种隔震布置方案,又可以得出结论:传统底部隔震是对周期增幅最大的,即可以理解为隔震效果最为显著,但是底部隔震是否一定优于二层隔震,由于楼层的限制及区别,个人认为暂且得不到这个结论;同时对比传统二层隔震和平台二层隔震两种模型,发现其周期基本一致,尤其是前7阶小数点后五位都一样,只是在8阶之后有细微的差别,对于其隔震效果是否完全一样,及可能存在的原因,后文分析其他地震作用参数的时候再详细讨论。 同时从表2.1的数据及图2.3知道,隔震结构主要以前3个振型为主,第3到第4振型的自振周期陡降,传统结构振型周期变化相对较为均匀,但也差不多以前3振型为主,在第4振型后传统抗震结构与

17、隔震结构的自振周期差异不大。2.4 地震反应时程分析2.4.1 地震波的选取下面对前面建立的三维框架结构模型进行地震反应时程分析,地震波选取了1940年月的EL-Centro(N-S波,并以多遇地震输入。 EL-Centro(N-S波的峰值加速度为341.7 cm/s/s,时间间隔0.02s,持续时间40s,如下图: 图2.7 EL-Centro波时程曲线本次算例以EL-Centro波,按照多遇地震沿x向输入地震波。由于本结构处于类场地,8度0.2g区,查抗规知该区在多遇地震的峰值加速度为70cm/s;则EL-Centro波多遇地震输入的比例系数为70/341.7=0.2049。2.4.2 多

18、遇地震下结构的时程反应对比时程反应分析是sap2000软件的一个重要功能,大致操作步骤描述如下:1、建模完成后,定义时程函数,具体可以在sap2000自带的地震波中根据结构需抗震要求选择合适的地震波;2、添加对应于该地震波的荷载工况;3、针对所需要的数据,提取不同的显示表格文件;4、分析参数;多遇地震下楼层位移峰值对比分析通过SAP2000分析得出传统抗震结构和隔震结构在多遇地震作用下顶点位移和各位移时程反应,并将两种结构顶点位移和各层位移时程反应做出对比,如图3.10和图3.11所示: 图3.12 抗震结构和隔震结构顶点加速度时程由上面的图形以及表格可以看出,隔震结构相对于基底的位移远大于传

19、统抗震结构,最大可相差38.639mm,说明隔震支座的设置对结构的位移不一定有减小的作用,甚至有可能增大结构的位移。这主要有两个原因,一个是隔震层水平位移大,结构的大部分水平位移都发生在了隔震层,楼层相对于隔震层的位移较小;第二个是因为隔震支座的设置,增加了结构的自振周期,在长周期下,结构反应可能由位移控制,结构的位移反应增大。从图3.11可以看出,隔震结构的斜率较小,基本上趋于水平;抗震结构斜率相对于隔震结构较大,这充分体现了隔震结构在多遇地震作用下基本是发生水平平动。多遇地震下楼层加速度峰值对比分析SAP2000分析得出6种模型在多遇地震作用下楼层加速度峰值和顶点加速度时程的相关数据,提取

20、整理后如下表所示:表2.2 EL-Centro波X向输入下6模型的楼层峰值加速度对比 根据表2.2的数据,采用OriginPro进行绘图如图2.3所示,更能直观地体现出6种模型之间楼层加速度的显著差异。 图3.12 抗震结构和隔震结构顶点加速度时程此处,顶点加速度时程分析只选取了传统底部隔震和传统底部刚接、平台底部隔震和平台底部刚接两组数据,因为对于这两种掉层形式来讲,从楼层加速度峰值数据大致可以看出,在加速度参数上,底部隔震效果最优。由以上的图形和表格可以看出,随着楼层的增加,抗震结构的绝对加速度大致呈增大的趋势,且增长速度较快;而隔震结构的加速度基本保持水平,即各楼层的加速度差别不大。而隔

21、震结构相对于传统的抗震结构,其加速度减小很明显,在结构的顶部,隔震结构的加速度减小最多,只有抗震结构的1/5左右,隔震效果明显。从图3.12的加速度时程曲线也可以看出,相对于抗震结构,隔震结构波动不强,隔震结构相对于抗震结构在各个时刻的加速度都减小很大,特别是在后半段接近水平线,说明此时隔震结构反应很小,表明隔震效果很好。从下表EL-Centro波抗震结构与隔震结构的楼层相对峰值加速度对比中可以看出,隔震结构的楼层峰值加速度除第一层大于传统抗震结构外,其余各层均小于传统抗震结构的楼层峰值加速度,且随着楼层的增高,相差的程度更大。传统抗震结构的楼层峰值加速度随楼层增高基本呈现递增的趋势,而隔震结

22、构各楼层的峰值加速度基本保持不变或变化较小,呈现出上部结构平动的趋势。多遇地震下楼层层间位移角峰值对比分析 表2.3 EL-Centro波双向输入下抗震结构与隔震结构层位移峰值对比 从表2.3,2.4以及图2.11可以看出,(1传统抗震结构的层位移呈现随楼层逐渐增大,即上大下小,隔震结构上部结构的层位移基本保持不变或变化很小;(2在el-centro波输入下,隔震结构的最大层位移大约是传统抗震结构的两倍,在taft波输入下,没有el-centro波明显,但仍是上述规律,因为隔震结构通过橡胶垫增大变形耗散能量,同时将基础与上部结构隔离开,减小上部结构的地震反应。通过表2.5EL-Centro波及Taft波沿x方向抗震结构与隔震结构层间位移峰值对比可以看出,1隔震结构的第0层,也就是橡胶垫的层间位移大于上部结构的层间位移;2隔震结构的各层层间位移均小于传统抗震结构的各层层间位移,且底层尤为明显;3传统抗震结构层间位移随楼层增高逐渐减小,减小幅度大于隔震结构的相应层间位移,隔震结构的层间位移的变化幅度较小。3 结论 通过以上对 SAP2000 所建立 6 种模型的地震时程反应分析对比，可以得出以下几 点结论： 1. 隔震结构的自振周期延长，传统抗震结构（底部刚接）的自振