不规则建筑隔震结构的抗震性能分析

华　奎，高　群

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



不规则建筑隔震结构的抗震性能分析

华奎，高群

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

摘要：利用 SAP2000软件建立基础隔震结构、层间隔震结构以及传统的抗震结构的分析模型。通过对三种结构模型进行振型反应谱分析和弹性时程分析，评估和对比这三种结构楼层层间位移和层间位移角。结果表明：层间隔震结构抗震效果最好。

关键词：抗震性能；反应谱分析；弹性时程分析；位移；位移角

随着我国城市建设和城镇化进程的推进,复杂多变的建筑结构形式已成为现代建筑发展的趋势。历次震害表明:不规则建筑结构发生明显破坏的概率高于规则结构。为了保障人民生命财产安全,提高建筑结构的抗震和隔震技术的设计水平，对不规则结构的研究是非常必要的[1]。

为了研究和对比基础隔震结构、层间隔震结构和传统的抗震结构的抗震效果，本文利用SAP2000软件对三种结构分别建立模型。为了数值模拟时得到比较理想的地震响应和动力特性分析，本文简化处理了模型的结构构件。通过对三种结构的振型反应谱和弹性时程的数据对比分析，从而比较了传统抗震结构与隔震结构的抗震效果[2]。

1工程算例

本文模型均选取钢筋混凝土框架结构，第1～2层大底盘结构为商用，第3～10层为办公所用，楼层高度3.3 m，柱距5.5 m，梁、柱、板混凝土强度采用C40，板厚取120 mm，受力筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB300钢筋。选取GZY700-140 铅芯橡胶作为隔震结构的隔震支座。利用SAP2000软件建立的模型1、模型2和模型3如图1、图2、图3所示。框架梁、柱选用框架/索/钢束单元，楼板选用壳单元。

2结构模态分析

模态分析是研究结构动力特性的一种方法，用于确定结构的自身振动特性，又被称作振型叠加法动力分析[3]。反应谱分析和时程分析是以模态分析为基础，以此确定结构的固有频率、模态振型等[4]。

为了能够对结构设计概念、相关结构性有准确且定性的判断，需要利用SAP2000软件对结构进行各阶振型、周期等数据的研究与分析。SAP2000 提供了特征向量法和 Ritz 向量法两种分析方法，本文选取的是Ritz向量法分析[5]。

(a)三维模型图

(b)侧立面图

(a)三维模型图

(b)侧立面图

(a)三维模型图

(b)侧立面图

2.1结构的固有振动特性

抗震设计中，对于结构的振动影响程度，低阶振型对内力和位移贡献的比重大于高阶振型，所以高阶振型的影响可以忽略不计[2]。本文以三种结构前12 阶振型周期进行分析(见表1和图4)。

表1　三种结构的前12阶自振周期对比

图4　三种结构的前12阶自振周期对比

2.2结果分析

由表1可知：(1)就每阶振型的自振周期而言，隔震结构相较于传统的抗震结构都有所增大；(2)结合表1中其它自振周期可以看出，隔震结构中在隔震支座以上结构部分做类似平动运动，从而对场地的卓越周期可以有效地规避[6]。

3双向反应谱分析

振型分解反应谱法是一种模拟动力的分析方法，它主要用于求解多自由度结构体系的地震作用。该结构模型属于质量和刚度沿高度分布不均匀且属于高度不足40 m，宜采用振型分解反应谱法[7]。根据《建筑抗震设计规范》，由结构所处的场地条件、所处地区抗震设防烈度等，确定该结构的地震影响系数曲线(多遇地震作用)，并对三种结构模型进行反应谱分析，经计算得到楼层位移和层间位移角(见表2)。

表2　双向反应谱分析下结构楼层层间位移和位移角

由表2可知：

(1)x、y方向的最大位移在反应谱分析下分别为20.53 mm、21.04 mm,最大位移角分别为1/101 7、1/112 6，1/133 5，远远小于《建筑抗震设计规范》中的第5.5.1条规定限值1/550，满足规范要求[7]。

(2)隔震结构的层间位移在x、y方向明显小于传统抗震结构，层间隔震结构位移较基础隔震结构小。

4结构动力弹性时程分析

我国现行的《建筑抗震设计规范》第 5.1.2 条规定，“采用时程分析法在多遇地震下的特别不规则的建筑要进行补充计算”，采用时程分析法计算时，应依据建筑场地、环境类别和地震分组选择3条加速度时程曲线[7]。本文选择多遇地震波 EL-centro 波、兰州波以及唐山波[5], 对三个模型进行数值模拟分析, 每条地震波持续时间取为 20 s。

三种结构模型在弹性时程分析下的楼层位移和层间位移角如表3、表4、表5所示。

表4　兰州波作用下三种结构楼层层间位移和位移角

表5　唐山波作用下三种结构楼层层间位移和位移角表

由表3、表4、表5分析可知：

(1)三种结构顶点在EL-centro波作用下的最大位移分别是24.35 mm、13.35 mm、10.56 mm，最大层间位移角分别是1/911、1/102 0、1/120 9；兰州波作用下的最大位移分别为21.45 mm、12.35 mm、10.16 mm，最大层间位移角分别为1/961、1/122 1、1/147 8；唐山波作用下的最大位移分别是22.47 mm、14.11 mm、12.38 mm，最大层间位移角分别为1/986、1/105 4、1/126 9。最大层间位移角均满足规范规定的限值1/550[7]。

(2)在同一种结构模型下，兰州波作用下的顶点位移最小，而EL-centro波作用下的最大。

(3)隔震结构较传统的抗震结构层间位移减小，其中层间隔震结构在三种地震波下发生的层间位移最小，抗震效果更显著。

5结论

利用SAP2000软件对三种结构建立模型，分别进行反应谱分析、弹性时程分析，评估和对比这三种结构抗震性能，结论为：

(1)通过纵、横向对比可知，隔震结构的自振周期比传统的抗震结构显著提高，并可以对场地卓越周期进行有效的规避；隔震结构在隔震支座以上的部分做类似平动运动，且隔震支座的引入使得结构体系的被破坏性大大降低。

(2)三个结构模型在振型分解反应谱分析下，隔震结构的层间位移比传统的抗震结构的层间位移小且层间位移角均小于1/550，满足抗震规范要求。

(3)对三种结构模拟输入三种地震波，进行弹性时程分析，通过横向和纵向的对比发现：EL-centro波作用下的反应大于其他两种波的反应；隔震结构比传统抗震结构效果好，而在隔震结构中，层间隔震结构效果更佳。

参考文献

[1]党育,杜永峰,李慧.基础隔震结构设计及施工指南[M].北京:中国水利水电出版社,2007：1-2.

[2]孙佳伟.采用隔震装置的框架结构抗震性能分析[D].合肥：合肥工业大学,2010.

[3]雷庆关,陈东.SAP2000 在“结构动力学”中的应用探讨[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2012,20(3)：56-58.

[4]陈伯杰.不规则结构设计与地震作用计算方法[J].山西建筑,2008,34(35)：111-113.

[5]罗辉. 平面不规则大底盘单塔楼隔震结构的抗震性能分析[D].合肥：安徽建筑大学,2014：4.

[6]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2010.

Seismic performance of irregular isolation structure

HUA Kui,GAO Qun

(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：Based on the finite element software SAP2000 base isolation layer,interval isolation layer and the traditional anti-seismic structure model are set up.By means of executing the mode-superposition response spectrum analysis and elastic time-history analysis on the above three structure modals to evaluate and compare the inter-layer displacement and angle displacement between the layers of the above three structure modals.The results show that the interval isolation layer structure seismic performance works best.

Key words：seismic behavior;response spectrum analysis;elastic time-history analysis;displacement;displacement angle

中图分类号：TU973+.23

文献标识码：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.005

文章编号:1674-7046(2016)01-0027-06

作者简介：华奎(1988—)，男，安徽池州人，硕士研究生。

基金项目：安徽省高等学校自然科学研究重大项目(KJ2014ZD07)

收稿日期：2015-09-24