砌体结构并联复合隔震建筑有限元分析

赵士永,李旭光

(1.天津天津大学建筑工程学院,天津 300072;2.河北省建筑科学研究院,石家庄 050021;3.河北建研科技有限公司,石家庄 050021)

砌体结构并联复合隔震建筑有限元分析

赵士永1,2,李旭光3

(1.天津天津大学建筑工程学院,天津 300072;2.河北省建筑科学研究院,石家庄 050021;3.河北建研科技有限公司,石家庄 050021)

本文以某六层砌体橡胶隔震支座与摩擦滑移支座的并联复合隔震结构为例,运用有限元分析程序,对该建筑的一般抗震结构和并联复合隔震结构分别进行了地震作用下的有限元时程分析,结果显示:并联复合隔震结构能够降低上部结构的地震反应,提高建筑物的抗震能力,有明显的隔震、减震效果。

并联复合隔震;有限元分析;砌体结构;时程分析

0 引言

基础隔震体系是指在结构底部与基础面(或底部柱顶)之间设置隔震装置(隔震层)而形成的体系。现在研究和应用较多的有夹层橡胶垫隔震技术和摩擦滑移隔震技术。并联复合隔震技术作为一种新型的建筑基础隔震技术在我国土木工程领域得到了广泛的研究和应用。复合隔震结构是由夹层橡胶支座与摩擦滑移支座2种隔震元件并联组合在一起作为隔震层的基础隔震结构。夹层橡胶支座通过减小隔震层刚度,延长结构的自振周期,从而避开场地的卓越周期,达到隔震的效果;摩擦滑移支座则是通过隔震层与基础的相对滑动,以摩擦的形式来耗散地震能量。并联复合隔震结构充分发挥了2种隔震支座各自的优点,同时有效地限制了各自的缺点,既能提供足够的弹性恢复力,又具有较强的结构耗能能力,从而达到良好的隔震效果。本文利用有限元程序对并联复合隔震砌体结构进行分析,选取某一砌体房屋作为算例,对计算模型进行动力时程分析。

1 并联复合隔震体系力学模型

并联复合隔震体系隔震层是由橡胶隔震支座和摩擦滑移隔震支座并联复合而成的,刚度为2种支座水平刚度的线性叠加,隔震层在滑动前的水平刚度为kf+ks,滑动后的刚度为橡胶隔震支座的刚度ke。因此并联复合隔震体系隔震层滞回模型,在保证一定精度的前提下,可简化为如图1所示的双线性滞回曲线模型。

图1 并联复合隔震体系恢复力模型

并联复合隔震结构设计的关键问题之一是隔震层的参数选择。由于橡胶隔震支座的力和位移关系一般可以假定为弹性关系,而摩擦滑移隔震支座的力和位移关系则是塑性关系。并联复合隔震结构隔震层的力和位移关系是非线性的,2种隔震支座比例的变化也可导致隔震层的非线性性能的变化。并联复合隔震结构影响隔震层隔震性能的一个重要参数是摩擦承压比λ。这种隔震参数的选择影响到隔震装置的总体造价,隔震结构的自振周期、阻尼的大小,结构的地震加速度、位移反应等。

2 计算模型及参数

本文选用某砌体并联复合隔震建筑为例,利用有限元软件SAP2000对该结构进行有限元分析,该结构为砖混隔震结构六层住宅楼,二类场地,设防烈度为8度(0.20g)。隔震层设于建筑物基础顶部,将上部结构与基础分开。本工程根据建筑平面形式选择了多种不同的隔震方案,并对各种方案进行隔震效果及经济性分析,最终确定合理的隔震方案。该并联复合隔震建筑重力荷载代表值为38416kN。在建造该工程前,设计者共设计研究了3个方案,并进行了计算机仿真分析。考虑综合因素最终选为并联复合隔震结构,43个隔震支座中29个为橡胶隔震支座,其余的为摩擦滑移支座,摩擦承压比λ=0.304,用橡胶支座刚度计算的结构的自振周期为1.88s。

图2 并联复合隔震支座布置图

对结构进行时程分析时输入的地震动采用EI Centrol波,它是典型的二、三类场地的地震记录,特征周期为0.3～0.4s,加速度峰值达到341cm/s,记录时间长度为30s,本文时程分析时将地震波输入峰值相应调整为8度设防烈度对应值。

根据本工程参数建立三维的有限元并联复合隔震模型,楼板采用壳单元模拟,砌体墙也采用壳单元,计算荷载按重力荷载代表值对结构进行加载,模型如图3。

图3 并联复合隔震结构的有限元模型

3 算例结果及分析

3.1 结构的自振周期

对于传统的砌体抗震体系,结构的基本周期较短,结构隔震设计是通过对结构的动力特性进行调整,使建筑的自振周期延长,远离地震的卓越周期,以降低结构的加速度反应(表1)。

表1 两种结构体系的自振周期

从表1可以看出,隔震结构基本自振周期为抗震结构的5倍。这样就避开了地震动输入的共振频率段,大大减小上部结构的地震反应,提高结构的抗震能力。

3.2 结构的层间剪力

由图4可得出,在并联复合隔震建筑中各楼层剪力反应要比抗震结构小的多。

基底剪力系数是指基底所受剪力与结构总重力荷载代表值的比值,它反映出结构的地震反应能力。

图4 上部结构层间剪力分布

通过有限元分析,抗震结构和隔震结构在8度设防地震作用下基底剪力系数(表2)。

表2 两种结构体系的基底剪力系数

计算结果表明,隔震结构的底部剪力反应大大低于非隔震结构的底部剪力反应,隔震结构的地震作用约为非隔震结构的1/7。

3.3 楼层位移分析和层间加速度分析

从结构的变形曲线可看出,非隔震结构的变形曲线是典型的剪切型曲线,在地震作用下,上部结构的层间位移大,从而导致结构的开裂和破坏。隔震结构的位移主要集中在隔震层,而上部结构的层间变形非常小,使结构始终处于弹性状态,从而保证结构的完好无损。此外抗震结构依靠结构自身的变形能力耗散地震能量,而隔震结构依靠隔震垫的变形消耗地震能。由计算结果比较,隔震结构的加速度和速度反应明显小于传统抗震结构,减震效果明显。由地震波作用下的加速度时程曲线可以看出,隔震结构的顶点加速度远远小于抗震结构,减震效果明显。

图5 上部结构楼层位移

图6 上部结构楼层加速度

图78 度设防烈度EL Centro波作用下模型绝对加速度反应时程

3.4 隔震层滞回曲线

由图8可看出,由普通橡胶隔震垫和摩擦滑移隔震垫组成的并联隔震层具有很好的滞回特性,滞回环丰满,耗能能力强,这就意味着结构反应将大大减少,从而有效地保护了上部结构,使其不再受到损伤或破坏。此滞回曲线明显为双线性滞回模型,与理论推导基本一致。

4 结论

图8 隔震层滞回曲线

本文利用有限元方法对某六层砌体结构的抗震体系和并联复合隔震体系2种方案进行了对比分析,2种结构体系在地震作用下的有限元时程分析结果表明,采用基础并联隔震体系可以有效降低上部结构的动力反应,隔离地震动向上部结构的能量传递,延长结构周期,避开地震动输入的共振频率段。上部结构的位移、绝对加速度、层间剪力也大幅度降低,提高了结构的抗震能力,保证了结构的安全,同时也保证了地震时建筑物自身及其灵敏设备和内部装修的安全和正常使用,减小了上部结构设计的限制。

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The FEM Analysis of Parallel Composite Isolation System Masonry Construction

ZHAO Shi-yong1,2,LI Xu-guang3
(1.School of Architecture and Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;
2.Hebei Academy of Building Research,Shijiazhuang 050021,China;
3.Hebei Building Research Engineering Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050021,China)

This article made an analysis of a six-layered parallel composite isolation system masonry building by finite-element method.The building is composite isolation system composed of rubber isolation bearing and silde isolation bearing.The contrast of the time history analysis results of fundation-fixed system and the parallel composite isolation system prove that this isolation system can reduce the seismic response of upper structures and enhance the aseismic capability of the buildings.

parallel composite seismic;finite-element analysis;masonry construction;time history analysis

TU352

A

1003-1375(2011)02-0023-04

2010-09-18

赵士永(1974-),男(汉族),河北定州人,博士研究生,高级工程师,主要从事结构防震减灾,建筑结构检测、鉴定,改造设计和加固工作.E-mail:13673238633@139.com