关于交错桁架结构增设隔震装置的抗震分析

雷庆关，孙叶翔，苏丹丹

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230601)



关于交错桁架结构增设隔震装置的抗震分析

雷庆关，孙叶翔，苏丹丹

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230601)

摘要：文章结合交错桁架体系的构成及特点，介绍了隔震结构的原理和隔震支座的类别，运用SAP2000分别建立混合型交错桁架体系及增设隔振器混合型交错桁架体系，对结构模型进行模态分析、反应谱分析及时程分析。通过比较和分析数据显示,交错桁架结构增设隔震装置后的抗震性能有明显改善。

关键词：交错桁架结构；隔震器；SAP2000；消能减震

0引言

交错桁架是20世纪中期由麻省理工学院在美国钢铁公司的赞助下提出的一种用钢量少、造价相对较低、布置相对灵活的新型钢结构体系[1]。由于该结构体系内部没有布置柱子，仅由结构四边的柱子撑起桁架，故结构能够获得较大的柱距以适用于大型的商场、酒店、旅馆等建筑类型，同时，由于桁架都已经成型，因此现场焊接工作的强度也会大大减少。

目前，交错桁架结构体系在欧美国家已得到广泛的应用，如澳大利亚1幢17层旅馆、加拿大卡尔加里虹谷旅馆、美国大西洋城的国际旅游饭店等[2]，这些国家各个方面的技艺都相对先进，尤其美国已有相应的规范出版。但是在我国，该结构尚处于起步阶段，基本没有工程实例。

1隔震装置工作机理及其支座类型

隔震器和阻尼器是隔震装置的主要组成部分。隔震器一般增设在基础与上部结构间，起隔断作用，使地震能量不能全部传入上部结构；阻尼器能够提供阻尼消耗地震产生的能量。

隔震支座主要有叠层橡胶支座、聚四氟乙烯支座、滚子隔震支座以及摩擦摆隔震支座，本文主要介绍叠层橡胶支座。这种支座是由钢板与橡胶板经过高温高压硫化粘贴而成，因钢板的刚度很大，橡胶层的横向变形会受到很大的约束，故橡胶隔震支座是一款竖向承载力很强的高性能隔震装置[3]。叠层橡胶支座如图1所示。

图1　叠层橡胶隔震支座

叠层橡胶隔震支座可以分为铅芯叠层橡胶支座、高阻尼橡胶隔震支座和普通叠层橡胶支座，其中，铅芯叠层橡胶支座在工程项目中应用最为广泛，它主要由上下联结板、上下封板、铅芯、内部钢板和橡胶构成。钢板和橡胶承担建筑的自重，铅芯起到抵抗剪切变形的作用，选用时应注意橡胶和铅芯是否结合良好，能实现最理想的隔震效果。铅芯叠层橡胶隔震支座如图2所示。

图2　铅芯叠层橡胶隔震支座

2模型概况

本文的结构模型是混合型交错桁架,共有12层,总高度39.6 m,桁架结构节点距离为3 m，总宽度21 m,柱子间距为6.5 m,总长度52 m,混凝土强度等级为C30，楼板厚度为150 mm,钢材选用Q345。其中框架柱选用H型钢400 mm×400 mm×18 mm×28 mm,连梁截面为H型钢350 mm×350 mm×10 mm×16 mm,弦杆和腹杆截面分别为H型钢300 mm×300 mm×10 mm×15 mm、 250 mm×250 mm×9 mm×14 mm。该工程采用的橡胶隔震支座外径为500 mm，铅芯直径为100 mm，等效水平刚度为1 480 kN/m，等效阻尼比为27.2%。该工程为Ⅱ类场地类型，分组是第2组，8度抗震设防区。楼面、屋面荷载分别取2.5 kN/m2,楼面附加荷载取2 kN/m2。桁架结构图和剖面图分别如图3、图4所示。

图3　交错桁架结构形式

图4　交错桁架剖面图

3结构抗震分析方法

地震反应谱分析方法和动力时程分析方法是进行结构动力分析的2种常用方法[4]。反应谱分析法先采用动力计算方法显示质点的地震反应，然后运用统计的方法得到反应谱曲线图，最后运用静力方法进行结构分析，它是建立在弹性理论基础上的等效静力分析方法。

动力时程分析法又称为动态分析法，依据采用的地震波对动力方程进行逐渐积分，能够获得工程构件在地震作用下任意时刻的位移、速度以及加速度，而反应谱法只能反映结构最大的地震响应，因此动力时程分析更真实地反映了结构在地震作用下的动态响应。SAP2000运用的是快速非线性分析方法，其基本平衡方程[5]为

(1)

4结构计算分析

4.1楼层剪力分析

模态分析是对结构自身振动特性进行分析，算出周期和质量参与系数，这是动力分析的基础[7]。本文运用SAP2000计算出2种结构前12阶周期,2种模型的周期值对比如表1所示。

表1　2种模型周期值对比　s

由表1可知，增设隔震装置后，在第1振型上结构的周期达到了3.907 s，较原来的模型增加近1倍，使结构周期避开了场地卓越周期，充分表明增设隔震装置大大降低了地震作用产生的加速度、位移及内力。

反应谱分析所得2种结构的楼层剪力数值如表2所示，楼层剪力对比图如图5所示。

表2　反应谱分析下2种结构的楼层剪力

时程分析所得2种结构的楼层剪力数值如表3所示，楼层剪力对比图如图 6所示。

表3　El-Centro波作用下

图6　时程分析下2种结构的楼层剪力对比

通过表2、表3及图5、图6可以看出，结构在增设隔震装置后，楼层剪力有了明显减小，隔震效果非常明显。

4.2位移角分析

反应谱分析下楼层纵向水平位移数值如表4所示，位移角包络图如图7所示。

表4　反应谱分析下2种结构模型的层间位移角

图7　反应谱分析下2种结构模型的层间位移角包络图

时程分析下楼层纵向水平位移数值如表5所示，位移角包络图如图8所示。

图8　时程分析下2种结构模型的层间位移角包络图

由表4、表5及图7、图8可知：

1)在反应谱分析下，未增设隔震装置的结构最大层间位移角为1/365,远大于增设隔震装置结构的1/866。此外，增设隔震装置的结构底部不再是固定的，隔震层的位移为40.08 mm，由于结构的底部位移不为零，增设隔震装置后结构的位移主要集中在隔震层，结构的上部基本是平动的状态，而未增设隔震装置的结构层间位移则是下部大、上部小。之前模态分析显示结构周期在增设隔震装置后变大，与反应谱分析得出结构上部处于平动状态的情况相互吻合。

2)在El-Centro波时程分析下，2种结构模型的位移角均满足了规范要求。增设隔震装置后，在隔震层产生了较大的位移，为22.81 mm，上部结构各楼层的位移变化大大减小，位移角包络图的走势趋于平缓，因而可以近似认为结构上部由原来的扭转变形变为整体平动，隔震后结构最大位移角仅为1/736,隔震装置充分发挥了抗震作用。

表5　时程分析下2种结构模型的层间位移角

4.3加速度分析

选用El-Centro波对2种结构进行动力时程分析，分别查看结构顶层、第6层、底层相应部位的加速度，对比分析在地震波的作用下隔震装置对结构加速度的影响。时程分析下结构顶层、第6层、底层的最大加速度如表6所示。

表6　El-Centro波时程分析下结构顶层、

从表6可以看出，增设隔震装置后结构各层加速度有明显减小。由于各层的加速度是均匀变化的，因此隔震装置能显著降低地震作用。

5结论

1)增设隔震装置后，结构的第1振型周期由原来的2.009 s增大到3.907 s,相对于原始结构周期延长近1倍，因此能够避开场地卓越周期，显著降低结构的地震响应。

2)通过研究地震作用下结构的动力响应分析，比较原结构和隔震结构，发现在结构上增设隔震器对结构有良好的影响，在增设隔震器后，结构加速度、层间位移、层间位移角以及层间剪力都有不同程度降低。

3)在反应谱分析和El-Centro波时程分析下，增设隔震装置后结构的隔震层产生了较大的位移，因而上部结构的楼层位移和层间位移角减小，结构变形也由传统的扭转变形变成整体的平动，减震效果显著。

[参考文献]

[1]周其石.高层钢结构交错桁架结构体系的静力性能研究[D].长沙：湖南大学，2001.

[2]周绪红，莫涛，蔡益燕,等.新型交错桁架结构体系的应用[J].钢结构，2000，15(2)：16-19.

[3]苏经宇，曾德民.叠层钢板橡胶隔震体系设计与分析[J].工程抗震，1996(4)：27-32.

[4]易方民，高小旺.建筑抗震设计规范理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010:60-61.

[5]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006:289-291.

[6]蔡健，周靖，禹奇才.建筑抗震设计理论研究进展[J].广州大学学报(自然科学版)，2005(1)：65-73.

[7]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.

责任编辑：唐海燕

Seismic Performance Analysis of Staggered Truss Structure with Vibration Isolators

LEI Qingguan，SUN Yexiang，SU Dandan

(Department of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601)

Abstract：This paper,combining with the composition and characteristics of staggered truss system,introduces the principle of the vibration isolators and the bearing types.By suing SAP2000,the paper establishes the mixed staggered truss system and the mixed staggered truss system with vibration isolators respectively,and carried out the structure modal analysis,response spectrum analysis and time history analysis.A comparative data analysis shows that the seismic performance of the staggered truss is obviously improved.

Key words：staggered truss structure;vibration isolator;SAP2000;energy dissipation

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.001

收稿日期：2015- 12- 28

基金项目：安徽省教育厅、财政厅高等学校自然科学研究重大项目(KJ2014ZD07)

作者简介：雷庆关(1963—)，男，教授。

中图分类号：TU393

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)02- 0001- 05