某配电楼基础隔震设计与分析

黄 艳,董 璞

(惠州学院建筑与土木工程系,广东 惠州 516007)

0 引 言

建筑基础隔震的基本原理是通过在隔震层设置隔震消能装置,延长建筑物的自振周期,阻止地震能量向上传递,同时提供一定的阻尼,消耗地震能量,从而达到减小上部结构地震响应的目的[1～3]。目前,国内外对建筑物水平隔震的研究已较成熟,但相当多的计算分析仍采用简化的力学模型和假定条件。如假设楼板刚度无穷大,从而将上部结构等效成单质点或多质点剪切模型;通过隔震层位移扩大系数来考虑隔震结构的扭转效应。这些简化手段都不能反映出非对称结构空间受力状态,不能直接确定上部结构各个构件所承受的内力,使得设计人员无法直接对结构构件进行配筋设计,也不能直接应用于隔震高层建筑和一些重要的工程结构。因此,本文运用ANSYS软件建立三维空间模型,对一实际工程结构进行了基础隔震体系的地震反应分析,并将计算结果与传统剪切模型的计算结果进行了对比与分析,为工程设计提供可靠的参考依据。

1 工程概况

某配电楼工程,排架结构,地下1层,地上1层,局部2层,屋面为SP预应力空心板。平面尺寸62.4 m×10.5 m,总高度为12.2 m。梁、柱混凝土强度等级为C40。设结构长边方向为纵向,短边方向为横向。主要构件尺寸:纵向梁为250mm×600mm,250mm×700mm,横向梁为250mm×700mm,屋面梁为400mm×600mm;牛腿柱下截面为500mm×800mm,上截面为500mm×400mm,其它为400mm×400mm。场地土为二类,场地特征周期 Tg=0.45 s,房屋至发震断层距离大于10 km。由于电力系统地震破坏后果严重,因此对该工程采用基础隔震技术,提高其抵抗超烈度地震的能力是非常必要的。

本工程将隔震支座设置在1层楼面的下面即地下室的顶部,将1层以上结构与地下室隔开,以达到隔离地震能量、减少上部结构地震作用的目的。隔震支座上部楼板应采用现浇板,并适当加大厚度,以加强隔震层的整体性,基础建议采用片筏基础。

2 传统剪切型隔震分析

由上部结构计算出1层柱底轴力的设计值。参照《建筑抗震设计规范》[4]第12章第12.2.1条中隔震支座平均压应力限值应小于等于15.0MPa的规定,然后再根据大震时的位移要小于隔震支座0.55 D的要求,确定本工程采用铅芯橡胶隔震支座GZY400,共36个。所选用的隔震支座力学性能指标如表1所示(注:γ表示隔震支座的水平剪切应变,其值等于支座水平位移与橡胶层总厚度的比值)。隔震支座平面布置图及剖面图分别如图1、图2所示[5]。

表1 隔震支座力学性能

图1 隔震支座平面布置图

图2 1-1剖面图

图3 计算简图

根据《建筑抗震设计规范》第12章的具体规定,采用剪切型模型,计算简图如图3所示。隔震层和上部结构计算参数分别列于表2、表3。

表2 隔震层参数

表3 上部结构参数

参照《建筑抗震设计规范》中关于选用地震波的要求,在每一时程分析时都选用了3条地震波(2条天然波和1条人工波)。在选择地震波时还注意了所选地震波的地震影响线曲线在结构基本周期附近同《建筑抗震设计规范》中的地震影响线曲线比较靠近,可实现3条波的平均地震影响线曲线与规范地震影响线曲线有良好的统计意义相符。鉴于隔震小震、隔震大震、不隔震3种情况的结构基本周期不同,共选用了9条地震波,地震波的选取详见表4。加速度峰值分别取0.7 m/s2,4 m/s2,相当于8度多遇地震和8度罕遇地震两种情况。

表4 地震波选取

按设防烈度8度,采用时程分析法对结构的隔震与不隔震状态进行了对比分析、验算,计算采用的是华中科技大学土木工程与力学学院编制的建筑隔震设计分析专用软件(BIS),它已通过评测并由建设部批准使用。计算结果详见后续与ANSYS计算结果的对比分析中。

3 ANSYS三维计算结果及对比分析

作为对比,本工程另采用有限元ANSYS软件计算结构的地震时程反应[6]。建模时钢筋混凝土梁柱采用空间梁单元(beam4)模拟,钢筋混凝土楼板采用四边形壳单元(shell163)模拟,考虑了隔震支座的非线性特性,根据铅芯橡胶隔震支座压剪试验获得其应力—应变关系,将其简化成图4所示的双线性滞回曲线。其中k1、k2分别为屈前、屈后刚度,Q为屈服剪力。采用弹簧阻尼单元(combine40)来模拟隔震支座的双线性。模型节点数共为1745,单元数共为2171。

图4 双线性模型

3.1 结构的自振周期

采用子空间迭代法,分别沿结构的纵、横向进行结构模态分析。由表5可看出,ANSYS与BIS的计算结果较为接近。通过隔震层的设置延长了建筑结构的自振周期,从而达到了降低结构本身地震反应的目的。由图5可看出,隔震结构的第一阶振型为横向水平平动,第二阶振型为纵向水平平动,第三阶振型为绕隔震层刚度中心的扭转振动。不隔震情况下扭转振动出现在第二振型。

表5 结构自振周期

图5 基础隔震结构前三阶振型

3.2 小震作用下的计算与分析

表6列出了隔震结构与非隔震结构在小震作用下的最大层间剪力。从中可以看出,隔震与非隔震两种情况下的层间剪力最大比值均小于0.35。根据《建筑抗震设计规范》的规定,本工程隔震层以上结构的水平向减震系数取为0.5是合理的,上部结构可按降一度进行设计。从表6中还可看出BIS的计算结果和ANSYS的计算结果相比偏小,造成计算结果偏小的原因在于剪切计算模型仅考虑了其剪切特性,忽略了隔震层转动对上部结构层间剪力的影响。

表6 隔震前后的层间剪力对比

图6 横向小震作用下的加速度时程对比

设1轴与A轴相交处为1#柱,横向小震作用下该柱在隔震与不隔震情况下柱底加速度时程曲线如图6所示。从图6可看出,柱底在隔震情况下的加速度比不隔震情况下加速度显著减少。从而验证了小震作用下隔震结构的减振效果。

3.3 大震作用下的计算与分析

隔震支座在大震作用下纵、横向的位移时程曲线分别如图7所示,最大位移值见表7。从中可看出,隔震支座的最大位移值均小于容许位移限值22cm,满足规范要求,具有较高的安全储备。BIS最大位移计算值比ANSYS偏大,反映出BIS的计算结果过于保守。

图7 大震作用下隔震层位移时程曲线(EUREKA N79E波)

表7 隔震支座最大位移

另从图8中可以看出,在大震作用下,屋顶和隔震层在大震作用下位移值相差较小,上部结构近似平动。主要是隔震层发生了较大的相对位移,消耗了大部分的能量,传到上部结构的能量较少,因此上部结构层间位移较小。

图8 大震作用下底层和顶层的位移时程对比

4 结 语

(1)结果显示,采用隔震措施后明显延长了结构的自振周期。这对于降低上部结构的地震反应是有利的。建立三维模型进行地震反应分析更符合实际,它能更好地反映平移和扭转的耦合反应。这是采用单质点或者多质点剪切模型等传统动力分析模型所无法反映的。

(2)底层楼面与屋面的绝对加速度、位移时程反应基本是同波形、同相位,上部结构的层间位移很小。由此可见,隔震结构在多遇地震作用下,结构的变形主要集中在隔震层,上部结构的振动基本为整体水平平动。而传统抗震结构的位移模式是剪切型。

(3)由于本工程层高较大,长宽比较大,且局部为2层结构,结构不大对称,BIS与ANSYS的计算结果存在一定的差异。采用ANSYS软件进行地震反应分析能够较确切的反映建筑物在地震作用下的三维反应,便于全面地分析各个构件、各个节点的地震反应,具有较大的优越性,并能满足一定的精度要求。这是采用传统剪切模型所无法反映的,因此,对重要的或规范没有明确规定的建筑结构应进行三维时程响应分析。同时,在隔震结构设计中推广和应用有限元分析方法对提高结构设计准确性、降低结构构件的配筋、方便施工、降低工程造价等方面具有重要的现实意义。

[1]唐家祥,刘再华.建筑结构基础隔震[M].武汉:华中理工大学出版社,1993.

[2]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[3]Skinner R I,Robinson W H,Mcverry G H.工程隔震概论[M].谢礼立,周雍年,赵兴权,译.北京:地震出版社,1996.

[4]GB 50011-2001.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[5]日本免震构造协会编.图解隔震结构入门[M].叶列平,译.北京:科学出版社,1998.

[6]尚晓江,苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2006.