高层基础隔震结构地震响应的混合控制

高层基础隔震结构地震响应的混合控制

隔震技术在高层建筑结构中的应用20世纪下半叶，隔震建筑在世界范围内被广泛使用。2008年汶川地震之后,建筑物的抗震需求,已经越来越多的引起国人的关注,隔震建筑也在逐渐的被社会所认可。与非隔震结构相比,隔震建筑通过隔震层阻隔并耗散了大部分的地震能量,隔震层由于其刚度低、阻尼高的特点对于上部结构来说相当于一道柔软的屏障,通过隔震层的变形有效减少了上部结构物的地震损失。同时由于隔震层所采用的隔震支座抗拉压性能的限制,隔震技术目前多应用于多层建筑。高层建筑的隔震目前仍是国内外专家学者广泛研究的课题,目前许多专家做了深入研究,发现当地震波的频率成分丰富或遭遇罕遇地震时基础隔震结构的反应相对还是较大,因此常采用混合隔震的控制方法。如谭平等针对某实际工程采用了混合隔震控制的设计方法;J.N.Yang等对桥梁结构的地震反应进行了混合隔震控制的研究。本文利用有限元软件SAP2000建立了附设黏滞阻尼器的高层隔震建筑的有限元模型,对其在地震作用下结构的动力响应进行了进一步的数值分析和模拟。1建筑物倾覆问题我国现行抗震规范GB50011—2001《建筑抗震设计规范》(以下简称《规范》),针对多层和高层钢筋混凝土房屋抗震设计要点以及设计要求做出了明确规定。《规范》6.1.1条针对现浇钢筋混凝土房屋的结构类型和最大高度有如下规定规定(本文仅摘录框架结构):其目标是保证高宽比较大的基础隔震结构在地震中的安全。而倾覆问题是其中的关键,也是建筑物结构设计部分的重要环节。JGJ3—2002《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》规定:抗倾覆力矩应大于倾覆力矩。对于采用基础隔震的隔震建筑,隔震装置的竖向刚度相对较小,建筑物倾覆的危险性较大,且隔震装置(叠层橡胶垫)属于承压型,如果出现了拉力,建筑物的危险性就将大大增加。因此对高层钢筋混凝土框架基础隔震结构有必要对其抗倾覆问题进行研究。2隔震结构不倾覆的充分条件对于基础隔震结构,隔震层的变形和受力都有特殊的要求.就叠层橡胶垫隔震系统来说,为防止隔震结构发生倾覆以及保证隔震层继续发挥隔震作用,一般采取以下两种条件作为隔震结构绝对不倾覆的充分条件:(1)隔震层边缘的橡胶支座不出现拉应。(2)隔震层另一侧边缘的橡胶支座的最大压应力不超过容许值。3独立能耗装置高距离地震结构的力学分析3.1结构的基本假设(1)假定隔震支座布置对称。(2)假定隔震支座的水平刚度和竖向刚度与隔震支座面积成正比。3.2震作用两部分作用在地震作用下,有水平地震作用和竖向地震作用两部分组成。根据基本假定(1)和(2),在设置隔震建筑的隔震层过程中选取相同直径的橡胶垫,且橡胶垫均匀布置。3.3橡胶垫弹性模量的确定地震中,水平地震动作用在隔震层形成倾覆力矩MV,其表达式为:式中:x″g为地面加速度;x″i为第i个自由度对地面的相对加速度;n为结构的层数;hi为第i层楼面与橡胶垫底部的高度。由图1可求得,单个橡胶支座的竖向刚度KL:其中:EL、AL和hL分别为橡胶垫的弹性模量、面积和高度,半径内沿长度方向的橡胶垫数量为n。隔震层的转动刚度Kθ为:设,则隔震层的转角θy:橡胶支座的变形Δ:橡胶支座受力fm:3.4结构绝对加速度竖向地震作用下,结构竖向力由重力和竖向惯性力组成:其中:g为重力加速度;z′+z″是由竖向地震作用引起的结构绝对加速度。因此,总的竖向力为:则沿长度方向的橡胶垫在竖向地震荷载作用下的受力可以表示为:根据基础隔震结构的抗倾覆假定,我们可以通过式(10)和式(11)来确保橡胶支座的稳定性。3.5阻尼系数和能耗方向的刚度黏滞阻尼器是一种速度相关型阻尼器,其力与位移和速度的关系可以表示为:式(12)可以简化为:fd=CVα。式中:C为根据需要设计的阻尼系数;V为阻尼器活塞相对阻尼器外壳的运动速度,一般情况取阻尼器的相对速度;α为阻尼器设计的阻尼指数,当在以抗震为主的建筑物中使用时,α取0.15~0.25之间。黏滞阻尼器在耗能方向的刚度按照《规范》进行计算。Kd为支撑构件在阻尼器方向的刚度;CV为相应于结构基本自振周期的线性阻尼系数。4计算模型4.1基础隔震设计某钢筋混凝土框架结构,总层数15层,层高均为3.6m,跨度5.4m。基础隔震结构,隔震层选用叠层橡胶垫隔震系统。设防烈度为8度,场地类别为II类,设计地震分组为第2组。采用有限元分析软件SAP2000建立结构模型,如图2所示。4.2试验垫的材料参数,主要考叠层橡胶垫采用和泰公司产品,经对无控结构的计算,选用直径800mm的叠层橡胶垫,具体性能参数参阅产品说明。通过对隔震结构的分析,可以发现隔震结构在地震作用下,易沿着短轴方向发生倾覆。所以,黏滞阻尼器添加在纵向边框架之中,与斜撑串联后安装到结构中,具体布置方式见图2。4.3阻尼运动方程式中:M、K与C分别为结构的质量矩阵、刚度矩阵与阻尼矩阵;x为位移向量;为地面加速度;u为控制力;Mg与b分别为外部激励作用矩阵与控制力位置矩阵。由于添加了黏滞阻尼器的上部结构和隔震系统具有明显不同的阻尼,所以运动方程有着与经典阻尼体系不同的阻尼矩阵C。引用分区Rayleigh阻尼模型,将结构的阻尼矩阵表示为:式中,C0代表Rayleigh阻尼矩阵,其表达式为:Cr代表非比例阻尼的余项阻尼矩阵,其表达式为:其中:mb、kb分别为隔震层的质量和刚度;Cd为阻尼器设计的阻尼系数。采用Newmark积分法求解,求出结构在地震作用下的时程反应。4.4模型参数的选取为了比较直观的对比分析,分别建立模型1为无控结构、模型2隔震结构、模型3耗能隔震结构的3种结构形式。通过模态分析可以得到结构的自振频率和周期,3种结构的阶自振周期见表2。由于阻尼器与建筑连接的方式及其自身的特点,在进行计算时,我们要对黏滞阻尼器等效刚度进行计算并在设计中加以考虑,对比3种结构从表2可以看出,附设了阻尼器的耗能隔震结构的自振周期相对于隔震结构有所减小,但是仍然符合《规范》要求。在模型计算中,地震波选用了El-Centro波、Lanzhou波和Taft波。此处仅针选取El-Centro波对结构罕遇地震下的地震动响应进行分析,将地震波峰值加速度调整到4m/s2(相当于8度罕遇地震时的峰值加速度),地震持续时间12s,积分步长取0.02s,同时考虑竖向地震作用。5速度反应时程曲线(1)地震作用下结构各层最大加速度曲线如图3(a)和图3(b)所示。从图中可以看出,在罕遇地震下,相对于无控结构,隔震结构和耗能隔震结构的各层最大加速度响应显著减少。把耗能隔震建筑与隔震建筑相比,我们不难发现:相对于隔震建筑,耗能隔震建筑的各层最大加速度响应从底层到顶层由下向上均匀放大,没有明显的拐点,更有利于提高建筑物的抗震性能。(2)结构顶层位移加速度反应时程曲线由图4(a)和图4(b)所示,在罕遇地震下,相对于隔震结构,安装阻尼器的耗能隔震结构的峰值加速度反应明显减少,且迅速衰减。同时不难发现,耗能隔震建筑在某些时刻其顶层加速度与隔震建筑的顶层加速度方向是相反的,这体现了阻尼器在其工作过程中提供了抵抗建筑物地震响应的作用力。通过阻尼器与隔震层在地震过程中协同工作,为实现抗震设防目标提供了有力支持。(3)图5和图6分别是隔震建筑和耗能隔震建筑地震作用下的基底剪力时程曲线和底层某角柱轴力时程曲线。由前文的基础隔震结构的抗倾覆假定和高层隔震结构的受力分析可知我们所关注的隔震层的稳定性和受力特性是建筑物抗倾覆的关键所在。在罕遇地震时,考虑了竖向地震作用,耗能隔震建筑与隔震建筑相比,基底剪力的峰值降低了12%。选取底层某角柱作为分析对象,在罕遇地震时,由式(7)~式(9)可知,橡胶垫在地震荷载作用下的受力由恒载、活载以及地震荷载三部分组成,查阅设计文献可知,在我们设计工作中计算轴力时取设计公式:f=1.2(恒荷载+0.5活荷载)+1.3地震作用作用于该柱的地震作用产生的轴力时程曲线显示,附设了黏滞阻尼器的耗能隔震结构的柱轴力的拉应力和压应力均满足《规范》要求,同时符合前文的基础隔震结构的抗倾覆假定。6地震阻尼器与叠层胶结充填的作用机理综上所述,可以总结出如下结论:(1)通过附设黏滞性阻尼器,耗能隔震建筑相对于普通的隔震建筑,在抗震性能方面有所提高,通过附设的阻尼器与隔震层在地震过程中协同工作,黏滞阻尼器与叠层橡胶垫共