多层框架结构基础隔震有限元分析

任小朋,孙华忠

(1.西南石油大学土木工程与建筑学院,四川 成都 610500;2.中国有色金属工业第六冶金建设有限公司,河南 郑州 450000)

多层框架结构基础隔震有限元分析

任小朋1,孙华忠2

(1.西南石油大学土木工程与建筑学院,四川 成都 610500;2.中国有色金属工业第六冶金建设有限公司,河南 郑州 450000)

以一幢8层框架结构的隔震建筑和传统抗震设计建筑的抗震效果进行分析对比,应用ABUQUS软件建立框架计算模型,分别采用普通叠层橡胶支座(RB)和铅芯橡胶支座(LRB)作为隔震装置的基础隔震2种隔震抗震方案,对其框架结构模型的底部输入El-centro形地震波.分析结果表明,RB方案与LRB方案的抗震效果均优于传统方案,且RB方案抗震效果略好于LRB方案.

框架结构;基础隔震;地震波;有限元分析

0 引 言

传统的建筑抗震设计只能保证结构本身具有足够的强度、刚度和延性,其弊端是:一方面,没有塑性变形能力的结构遭受大地震时,容易发生脆性破坏,造成人员伤亡;另一方面,有一定柔性的结构可以保证人身安全,但发生震灾后也会造成结构倾斜,以致地震后不能维持其功能.建筑结构振动控制技术将从根本上克服传统方法的不足[1].近20年来,现代隔震技术在土木工程中得到了较大规模的应用[2].其中,基础隔震通过延长结构基本周期,达到消耗地震输入能量,从而降低结构的地震反应,其比传统结构抗震效果具有更好的抗震性能[3].目前,叠层橡胶垫隔震装置和铅芯叠层橡胶支座这2种隔震抗震装置在框架结构抗震中具有一定的优势.本研究采用有限元软件ABAQUS对这2种抗震方案进行分析并比较,为框架结构的基础隔震抗震设计提供一定的设计参考.

1 基础隔震框架结构数值模型建立

1.1 基础隔震研究思路

利用有限元方法分析基础隔震,计算模型主要采用以梁单元为基本单元划分的数值模型.以梁单元为计算基本单元有着非常明显的优点,计算简便,耗时少,准确性更高,并且梁单元在分析过程中将忽略截面形状,直接使用截面属性上的特征量来分析梁单元上的应力.此外,由于现有计算机硬件的不足,分析只局限分析框架结构的线性响应,而不考虑非线性条件,同时采用等效方法[4]将钢筋混凝土材料等效为一种横观各向异性材料,大大减少了计算.

本研究分析基础隔震的支座采用普通叠层橡胶支座(RB)和铅芯叠层橡胶支座(LRB),在ABAQUS中该2种橡胶支座近似等效为弹簧单元,则2种支座仅在弹簧单元等效刚度的计算以及刚度上有所区别.另在地震波的施加上,采取地震加速度,并且仅分析0～1 s内的地震波对建筑的影响.分析假定地基为刚性基础,隔震装置RB和LRB均为线性元件,整个研究均不涉及非线性部分讨论.

1.2 有限元分析对象

本研究以一8层钢筋混凝土框架结构办公楼作为有限元分析对象,该建筑物层高为,第一层4.0 m,第二层至第8层均为3.6 m;框架柱截面尺寸为,1～2层0.55×0.55 m2,3～4层0.50×0.50 m2,5～8层0.45×0.45 m2,混凝土编号为C30;楼层梁断面为,0.25×0.65 m2,走道梁断面为0.25×0.40 m2,混凝土编号也为C30.建筑结构平面图如图1所示.

图1 建筑结构平面图

1.3 材料等效计算处理

模拟对象为一栋8层楼的钢筋混凝土楼房,采用梁单元进行建模,其计算模型如图2所示.

图2 2种结构抗震计算模型

由于不能像建立实体单元模型那样将钢筋作为实体插入梁柱构件内部,因此需要对材料的性质进行等效,等效计算结果为,=4 007 g/cm3[5].对于叠层橡胶支座,不考虑水平变形,不计入支座的抗弯作用和轴向变形,仅考虑水平剪切作用,采用弹簧单元代替橡胶支座,经过计算可得等效的弹簧单元刚度为,RB,KR=756 KN/m;LRB,K1=4 158 KN/m[6].

1.4 地震波数据

地震波是以在基底上施加地震波加速度来实现的,在地震波的施加中,仅取0～1 s的地震波进行研究(见图3),并将地震波划分为100份,每0.01 s具有一个幅值[7-8].

图3 地震波的选取

1.5 2D建模并运算

本研究采用2D建模,取其正面采用ABAQUS有限元分析软件进行运算分析.2D建模侧面图如图4所示.

图4 侧面2D建模图

2 结果分析

为了便于比较,对于模型分别考虑:采用普通叠层橡胶支座隔震(RB方案)、铅芯橡胶支座隔震(LRB方案)及传统结构方案;采用El-centro(N-S,1940)波如图3,其卓越周期为0.55 s左右;取2D侧面中右上角一点作为集,根据其运算结果历程分析中的最大加速度响应和最大层间位移值比较来进行结果分析.

2.1 最大加速度响应分析与比较

1)X轴方向.X轴方向3种方案的加速度响应如图5所示.

图5 X轴方向3种方案的加速度响应

2)Y轴方向.Y轴方向3种方案的加速度响应如图6所示.

图6 Y轴方向3种方案的加速度响应

3)加速度响应比较.根据图5、6数据得到3种方案加速度响应比较如表1所示.

表1 3种方案加速度响应比较/(m/s2)

从表1数据可知,3种方案中,传统结构抗震方案所取集的加速度最大,RB普通叠层橡胶支座方案的加速度最小,即RB方案效果最佳.

2.2 最大层间位移变形分析与比较

1)X轴方向.X轴方向3种方案的层间位移变形如图7所示.

图7 X轴方向3种方案的位移

2)Y轴方向.Y轴方向3种方案的层间位移变表如图8所示.

图8 Y轴方向3种方案的位移

3)位移变形比较.根据图7、8数据得到3种方案的层间位移变形比较如表2所示.

表2 3种方案位移变形比较/(m)

从表2数据可知,3种方案中,传统结构抗震方案所取集的位移最大,RB普通叠层橡胶支座方案的位移最小,即RB方案效果最佳.

3 结 语

1)与传统抗震方案比较,RB隔震方案可以大大降低建筑物上部结构的最小层间变形及加速度、位移响应,建筑物上部结构运动近似于刚体运动,能够保证结构在地震作用下上部结构均处于弹性,降低了结构的地震惯性力.

2)采用LRB隔震方案,从建筑物上部结构的最小层间变形和加速度响应看,较之传统方案要小得多.在地震时,LRB隔震方案即普通叠层橡胶支座隔震方案的隔震垫能够产生柔性变形,可大大减弱水平地震影响.

3)通过结果分析可知,RB方案与LRB方案,均优于传统方案,且RB方案的效果比LRB方案略好.

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Finite Element Analysis of Base Isolation of Multilayer Frame Structure

REN Xiaopeng1,SUN Huazhong2
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.The No.6 Metallurgical Construction Co.,Ltd.,China Nonferrous Metals Industry,Zhengzhou 450000,China)

The latest building seismic design code includes the isolation structure design.The further research on the base isolation standardization process of building structure becomes the development trend of the future building seismic design.In this paper,time-history analysis method was used to analyze the multilayer frame isolation building in the earthquake under the action of seismic effect.We analyzed and compared seismic effects for both the actual isolated building of eight-layer frame structure and the traditional seismic building,and established the framework computing model by ABUQUS software.The ordinary laminated rubber bearing(RB)and lead core rubber bearings(LRB)were taken respectively as the basic seismic isolation scheme and then El-centro seismic wave was imported into the bottom of the frame structure model.The analytical results about seismic performance show that both RB and LRB schemes are superior to traditional scheme and RB scheme is slightly better than LRB.

frame structure;base isolation;seismic wave;finite element analysis

TU352.12

A

1004-5422(2013)01-0075-03

2012-12-20.

任小朋(1981—),男,硕士研究生,从事工程结构抗震防灾研究.