框架结构层间滑移隔震结构隔震效果分析

王社良,曹晓辉

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055)

框架结构层间滑移隔震结构隔震效果分析

王社良,曹晓辉

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055)

为了研究层间滑移隔震结构的隔震效果,从理论上建立了层间滑移隔震结构的力学模型和静动转化条件。使用SAP2000有限元软件对框架结构进行抗震及隔震结构的模拟。对比分析其在小、中、大震作用下的减震效果,结果表明层间滑移隔震结构隔震效果良好。

层间滑移隔震;有限元分析;隔震效果;框架结构

随着传统的抗震建筑越来越不能满足现在人们对建筑的日益增高的要求,一种新型的结构技术形式也越来越被人们所关注,这就是摩擦滑移隔震[1]。摩擦滑移隔震结构因为其相对低廉的造价和简易的施工更受到人们的追捧和研究。与传统的抗震结构所不同的是滑移隔震结构采用软化结构的方式即在上部结构和下部结构之间加入摩擦滑移装置来控制、减少地震能量由下部向上部传递从而减轻上部结构的地震反应[2-3]。滑移隔震结构隔震主要通过其滑移隔震装置来减少上部结构的地震反应[4]。

本文通过对西安市一拟建框架结构的抗震结构与层间隔震模型进行对比分析,研究框架结构层间隔震的减震效果。

1 层间滑移隔震结构运动方程

层间滑移隔震结构的计算模型如图1所示。

图1 层间滑移隔震结构计算模型

1.1 层间滑移隔震结构上部结构相对静止状态运动方程

当层间滑移隔震结构处于上部结构相对静止状态时,其结构可以简化为n个自由度的计算模型[5-6],如下:

1.2 层间滑移隔震结构运动状态运动方程

当层间滑移隔震结构处于上部结构相对运动状态时,将隔震层看做是结构体系中的一层,因此整个结构体系可以简化为n+1个自由度的计算模型,同时考虑到结构滑移后会受到限位复位装置的作用,故其运动方程[5-6]如下:

1.3 层间滑移隔震结构运动状态转换条件

结构体系从相对静止状态进入相对滑动状态;

2 算例分析

2.1 模型结构建立

本文所要进行模拟分析的建筑物为西安市某中学拟建办公楼,该楼地上六层地下一层,为框架结构,地下室层高6.25 m,一层层高3.9 m,二层至五层层高3.6 m,六层层高4.5 m;其X向为五跨,轴间距为8.4 m,Y向三跨,边跨轴间距为7.2 m,中间跨轴间距为2.7 m。

本文使用有限元分析软件SAP2000对拟建建筑进行减震效果分析。分析时建立了其抗震模型,层间滑移隔震模型进行对比分析。层间滑移隔震模型为在建筑物地下室柱顶与地下室顶板之间加设摩擦隔震单元。滑移隔振装置使用摩擦隔震单元Friction Isolator来模拟[7],摩擦系数使用本工程准备拟用的滑移隔震装置实际测试得到的0.04。

由于本文所分析的拟建建筑场地类别为Ⅱ类,故在分析摩擦滑移隔震减震结构的减震效果时使用相应场地类别的地震波EL-Centro波及唐山波对其进行分析对比。其中EL-Centro波持时30 s,峰值加速度为341 cm/s2;唐山波持时49.22 s,峰值加速度为-65.94 cm/s2。本文在进行计算时分别对上述地震波调整到七度70 gal、八度200 gal及九度400 gal。采用非线性直接积分时程工况,使用上述地震波进行调幅,对两种模型计算对比分析。

2.2 隔震效果对比分析

为了分析摩擦滑移隔震建筑的隔震效果,下面分别对模型在不同地震波作用下的加速度放大系数(见图2)、层间位移(见图3)、层间剪力进行对比(见表1)。

图2 抗震及隔震结构加速度放大系数

图3 抗震及隔震结构层间位移反应包络图

表1 隔震层上层与下层层间剪力分析结果对比

结果分析:

(1)由图2可看出,对比隔震结构与抗震结构的加速度反应,隔震结构加速度相对于相同地震波相同地震烈度的抗震结构的加速度反应要小的多。

(2)由图3可看出,对比隔震结构与抗震结构的层间位移,隔震结构的层间位移相对于抗震结构来说隔震层层间位移较大而其它层的层间位移均较小,故隔震结构在受到地震作用时主要将能量耗散在隔震层。

(3)由表1可知,对比隔震结构与抗震结构层间剪力反应,隔震结构层间剪力相对于抗震结构在相同地震波及相对烈度下的层间剪力均要小的多。

(4)对比隔震结构在400 gal、200 gal地震烈度下与抗震结构在200 gal、70 gal、地震烈度下的加速度反应、层间位移反应及层间剪力反应可知,隔震结构在高烈度下的地震反应均小于抗震烈度在较隔震结构低一个烈度下的地震反应。

(5)对比分析隔震结构在70 gal、200 gal、400 gal地震烈度下结构加速度反应、结构加速度放大系数、层间位移反应、层间剪力反应、隔震结构层间剪力与抗震结构层间剪力比可知,隔震结构随着地震烈度的增大其隔震效果越好。

3 结 论

本文通过对层间滑移隔震结构进行理论分析,并对西安市拟建框架结构进行SAP2000模拟对比分析,结果表明滑移隔震结构有效的降低了结构的加速度反应、层间位移反应、层间剪力反应,隔震效果良好,且随着地震烈度的增大其减震效果更好。然而由于滑移隔震结构在高烈度地震作用下其隔震层层间滑移量较大,故在工程实际应用过程中需要在构造措施上满足滑移量的需求与实际使用的要求。

[1]张文芳,税国斌.建筑物滑移隔震研究现状及新进展[J].东南大学学报,1997,27(增刊):45-50.

[2]文 佳,魏世宏,朱浪涛.隔震技术原理及存在问题分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2007,9(2):28-33.

[3]邸 元,丰定国.基础滑动隔震体系地震反应分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),1996,28(2):162-166.

[4]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997:20-28.

[5]李小军,蔡 涛.基础隔震结构的地震反应分析[J].水利与建筑工程学报,2009,7(1):106-108.

[6]愈茂宏,税国斌.砖混建筑结构基础隔震分析[J].建筑结构学报,1996,17(4):52-59.

[7]北京金土木软件技术有限公司.2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006:62-64.

Analysis on Damping Effect of Interlayer Sliding-isolated Structure of Frame Construction

WANG She-liang,CAO Xiao-hui
(College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

In order to research the damping effect of interlayer sliding-isolated structure,its mechanical model and dynamic converting conditions are built from theory.Through the finite element software SAP2000,the earthquake resistance and isolation structure are simulated for frame construction.Then,the damping effects under small,medium and strong earthquakes are compared and analyzed.The results show that the damping effect of the interlayer sliding-isolated structure is good.

interlayer sliding-isolation;finite element analysis;damping effect;frame structure

TU398+.2

A

1672—1144(2012)05—0030—03

2012-04-09

2012-04-29

王社良(1956—),男(汉族),陕西西安人,教授,主要从事高层建筑结构抗震与控制教学和科研工作。