生态复合墙结构在土-桩-结构相互作用下隔震设计研究分析

薛伟伟

（太原重型机械集团有限公司，山西 太原　030024）

生态复合墙结构在土-桩-结构相互作用下隔震设计研究分析

薛伟伟

（太原重型机械集团有限公司，山西 太原030024）

利用时程分析法对天然地基上带群桩基础的生态复合墙结构进行隔震设计研究分析。建立弹簧单元模拟群桩基础，采用Davies方法确定桩的刚度；利用SAP2000建立生态复合板隔震模型。用时程分析法进行地震反应分析，比较隔震结构和非隔震结构时程反应分析结果，并找到其中规律，为隔震设计提供设计依据。

生态复合墙结构；隔震基础；土-桩-结构相互作用；时程分析法

0　引言

地震作用的问题一直受国内外许多学者的强烈关注，而且就这方面问题进行了大量的研究，其研究的上部结构型式主要包括框架结构、框剪结构、剪力墙结构、筒体结构等［1-3］。西安建筑科技大学建筑结构新技术研究所提出了一种节能保温、耗能减震、快速建造、经济实用的住宅结构新体系——生态复合墙结构体系［4-5］（见图1）。

图1　生态复合墙结构体系示意

生态复合墙结构作为一种新型的结构体系，其中的肋格与填充块共同工作，同时又相互作用，充分发挥各自性能。在地震反复作用下，填充块受到框格约束，裂缝被控制在一定范围内，填充块可以有效地参与抗震，此时填充块类似于一个耗能装置，有效提高结构抗震能力。在前期研究中，课题组利用时程分析方法对生态复合墙结构抗震设计方法研究虽已有一些成果，但考虑土-桩-生态复合墙体系相互作用下的隔震设计分析未有相关研究成果。

本文根据子结构原理，将群桩基础用一组弹簧来模拟，利用弹簧单元模拟群桩基础，采用Davies方法确定桩的刚度；建立隔震结构计算模型，提出考虑土-桩-生态复合墙结构共同作用的整体分析模型，并对比分析隔震结构和非隔震结构在土-桩-结构的共同工作问题。

1　土-桩-生态复合墙结构相互作用隔震结构设计分析模型

1.1隔震结构计算模型

对于基础隔震结构来说，合理的计算模型要能够反应隔震结构实际的受力情况，上部结构不同应选取不同的分析模型。一般常用的计算模型有以下几种［6］：

（1）单质点模型

对于隔震结构特别是层数不多、上部结构刚度大的结构，结构体系位移集中在基底隔震装置，上部结构在地震作用下整体平动，可以通过单质点隔震模型来分析结构的反应情况，见图2。

图2　单质点模型

（2）多质点剪切模型

时程分析一般采用剪切型多质点模型。某些隔震结构上部层间刚度相对较小或上部结构质心与隔震层刚度中心不重合时应计入扭转。将隔震层作为一个质点，同时将上部结构质点化，其水平刚度即为隔震层的等效水平刚度。该模型计算精度可以满足工程要求，而且简单实用，见图3。

图3　多质点剪切模型

（3）扭转振动模型

这种模型假定各层在平面内刚度无限大，在水平地震作用下只进行平面内运动，其运动分量是X、Y向水平位移和一个角位移。用X、Y向水平位移和角位移3个矩阵就可以描述结构运动矩阵，模型见图4。

图4　扭转振动模型

以上分析模型可同时考虑隔震层、下部结构和上部结构的非线性特性。实际使用的一些隔震系统是有自阻尼的线性系统，但为了使隔振器有高柔性和大阻尼，一种替代方法是采用非线性滞变隔震系统。当隔震垫为普通叠层橡胶垫且不设置阻尼时，可采用线弹性模型，见图5；当隔震垫为铅芯叠层橡胶垫时，隔震层可采用双性模型，见图6。

图5　普通叠层橡胶支座的滞回曲线

图6　铅芯叠层橡胶支座的滞回曲线

从图5可以看出，普通橡胶支座的滞回特性与剪应变的大小无关，支座从大变形到小变形都具有稳定的弹性性能，滞回曲线所包含的面积很小，说明普通叠层橡胶支座几乎不能耗散能量，要达到耗散能量的目的，必须与其它阻尼器配合使用。从图6可以看出，铅芯叠层橡胶支座实际的滞回曲线可近似为一个双线性模型，若对该模型进行等效线性化，将双线性模型的对角线用斜线相连，则斜线的斜率为支座的等效水平刚度，计算式为：

式中：Keq——等效水平刚度；

Xmax——最大水平位移；

Xmin——最大水平负位移；

Qmax——与Xmax对应的水平剪力；

Qmin——与Xmin对应的水平剪力。

1.2基础简化模型

土-桩-生态复合墙结构相互作用结构模型如图7（a）所示。用一组弹簧模拟群桩基础，本文根据子结构原理，建立如图7（b）所示的土-桩-生态复合墙体系相互作用体系Pushover分析模型，其中群桩刚度按Davies（1986）［7］的经验公式确定。

图7　土-桩-结构相互作用体系Pushover计算模型

1.3时程分析所选取的地震波

本工程所选用的是国内外抗震设计最常用的2个典型地震波EL-CENTRO、迁安波和1组人工波，如图8所示。

图8　地震波EL-CENTRO、迁安波和人工波图谱

2　实例分析

图9为生态复合墙住宅平面示意，地上8层，层高2.8 m，总高22.4 m，8度抗震设防，设计基本地震加速度0.20 g，横向9.0 m，纵向长42.0m，最大房间为9.0m×6.0m，横向一榀框架各根柱下各布置1根桩，桩尺寸相同，桩径为0.60m，桩长20m。

图9　隔震密肋复合墙平面示意

该建筑比较规则，安装隔震支座后，自振周期控制在2.5 s左右，避开了特征周期，大大减小了地震力。在8度多遇地震作用下，基础固定的生态复合墙结构无法正常工作。为了实现在高地震烈度区建立生态复合墙结构，在结构的底部安装了自阻尼橡胶支座，隔震层设在±0.000与基础之间，采用30个直径为500 mm的GZY500型自阻尼叠层橡胶隔震支座，规格相同，其支座有关技术参数及力学性能如表1所示。对高烈度区隔震生态复合墙结构的地震反应进行研究，分别采用基础固定与基础隔震2种形式进行地震反应对比分析［8-9］。

表1　自阻尼叠层橡胶隔震支座设计参数

自阻尼叠层橡胶隔震支座的其它参数为：有效直径500 mm，铅芯直径120 mm，橡胶硬度50，橡胶层总厚度105 mm，钢板层厚度20 mm，一次形状系数31.6，二次形状系数5.7。

2.1隔震与非隔震结构周期比较

由GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中图5.1.5可知，自振周期大小直接影响水平地震作用，因此要将结构自振周期控制在合理范围内。墙板结构与有限元分析模型见图10，隔震结构和非隔震结构周期对比结果见表2。

图10　墙板结构简图与有限元分析模型

表2　隔震结构和非隔震结构周期对比

由表2可见：

（1）结构加隔震装置以后前3个振型周期变化较大，由GB 50011—2010中图5.1.5初步估计地震力可减小50%，这对结构抗震是非常有利的。

（2）前3个周期高阶振型影响较小，变形集中在隔震层。对于后7个振型隔震结构周期仅比非隔震结构周期稍大，说明此时高阶振型影响较大，隔震效果不明显，此时隔震层位移在总位移中的比例较前3阶振型有所减小。

2.2隔震结构与非隔震结构在8度多遇地震作用

下的时程分析对比

图11为在EL-CENTRO时程曲线作用下顶层X方向加速度时程曲线。地震波调幅系数为2.05。

图11　顶层加速度时程曲线

从图11可以看出，在8度多遇（amax=70 gal）地震作用下，基础固定结构顶层最大加速度181.4 gal，而基础隔震结构顶层加速度最大值约为59.1 gal，仅为基础固定结构的32.4%；隔震结构时程曲线较固定结构加速度时程曲线频率低，减轻地震时振动的强烈感［10］。

表3为隔震结构与非隔震结构在8度多遇地震作用下最大层间剪力。

由表3可知：在8度多遇地震作用下，隔震与非隔震2种情况下各层层间剪力的最大比值为0.35，根据GB 50011—2010规定，隔震层以上结构的水平减震系数为0.5时，可降低1度来设防，并且有较好的安全储备。

表3　隔震结构与非隔震结构隔震前后的层间剪力比较

2.3隔震结构在8度罕遇地震作用下的时程分析

图12为地震时程曲线作用下顶层X方向加速度时程曲线（以EL-CENTRO波为例）。地震波调幅系数为11.7。表4为隔震结构在8度罕遇地震作用下各层层间位移。

图12　顶层加速度时程曲线

从图12可以看出，在8度罕遇地震作用下（amax=400 gal），基础固定结构顶层最大加速度1716 gal，而基础隔震结构顶层加速度最大值约为408 gal，仅为基础固定结构的23.8%。2个时程曲线形状基本相同，不同处是固定结构的加速度曲线振幅较大，此时支座进入塑性状态。

表4　隔震结构在8度罕遇地震作用下的层间位移

从表4可以看出，隔震层在8度罕遇地震作用下的最大位移为190.2 mm。符合JG 118—2000《建筑隔震橡胶支座》对最小直径为500 mm的隔震支座其位移限值为275 mm的要求，并且在地震荷载作用下基本是平动，位移集中在隔震层。

3　结语

（1）利用SAP2000分析软件对比分析了隔震结构与非隔震结构的层间剪力和层间位移，验证了生态复合板结构在高烈度区的可行性。隔震结构底层刚度较小，这样延长结构自振周期，同时隔震层的阻尼器有效消耗地震能量有效的隔离地震波上传，隔震结构基底剪力是非隔震结构的34.7%，顶层加速度是非隔震结构的21.6%；隔震结构位移集中在隔震层，上部结构基本是平动，隔震结构层间位移减小，在多遇地震作用下上部结构处于弹性状态。

（2）在设计隔震结构时，隔震结构的构造对隔震效果影响很大。若隔震节点设计或施工不当，则不能满足“小震不坏”的设防目标：要发挥隔震效果，就要保证隔震装置可以自由移动，因此，隔震层以上结构应采取不阻隔隔震层在罕遇地震作用下发生大变形的措施。因此本文提出生态复合板结构部分连接构造。

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Isolation design analysis of soil-pile-eco-composite walls interaction system

XUE Weiwei
（Taiyuan Heavy Machinery Group Co.Ltd.，Taiyuan 030024，Shanxi，China）

Time-history method was adopted to perform Isolation Design analysis for eco-composite wall structure with grouped pile foundation resting on natural foundation soil.The substructure technique was adopted to simulate pile group with a group of springs，the grouped pile stiffness was determined with Davies method.Using SAP2000 establish an eco-composite wall isolation model.This paper uses time-history method to analysis earthquake response and compares the results of time-response analysis of the isolated structure with non-isolated structure's；contrast the effect of isolation of different damping ratio and find the rules to provide the basis for isolation's design.

eco-composite wall structure，base isolation，soil-pile-structure interactions，time-history analysis

TU352.1

A

1001-702X（2015）11-0074-05

国家自然科学基金项目（50908188、50878021）；国家“十一五”科技支撑项目（2006BAJ04A02-5、2008BAJ08B011-03）

2015-08-28

薛伟伟，男，1985年生，山西襄汾人，工程师，主要从事新型建筑结构体系及结构抗震研究。