大型框架隔振結構地震響應分析

孫東奇

（遼寧工程技術大學 建筑工程學院，遼寧 阜新123000）

中國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯部位，地震斷裂帶較多，發(fā)育比較完全。中國大陸的地震相當于世界大陸地震的1／3，地震活動頻度高、強度大、分布廣，是一個受地震影響比較嚴重的國家。新中國成立至今60多年來，中國共有22個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），其中涉及東部地區(qū)14個省份經歷了100多次地震，由地震所帶來的傷害占全國各類災害死亡人數的54%，所帶來的受災面積有30多萬平方公里，房屋倒塌達700萬間。特別是在2008年5.12汶川地震中由于房屋垮塌導致大量人員傷亡與財產損失。據統計中國大陸地震占全球陸地地震的1／3，但是由地震帶來的人員傷害竟然達到世界總傷害的1／2以上，造成該結果的主要原因是地震引起的破壞烈度超過了震區(qū)的抗震設防烈度，導致大量的建筑破壞倒塌。隨著經濟的發(fā)展，政府與居民防震減災意識的不斷提高，迫切需要防震減災性能更好的建筑來保護生命減少財產損失。

1 大型框架隔振結構模態(tài)分析

框架結構是以梁和柱組成的承重結構，梁柱的連接方式有2種：鉸接或者剛接?？蚣芙Y構在實際工作中，通過梁和柱組成的框架來承擔出現的水平載荷和豎向載荷，而結構的墻體僅其維護和分割作用，不承重。

框架結構根據功能和特點分以下幾類：

按跨數分：單跨結構、多跨結構；

按層數分：單層結構、多層結構。

按立面份：對稱結構、不對稱結構。

按所用的材料分：混凝土框架結構、鋼框架結構、膠合木框架接結構、鋼與鋼筋混凝土混合框架結構。

生產實際中，最常用的2種框架結構是鋼框架結構和混凝土框架結構。混凝土框架主要用于跨度比較大的結構，比如學校、住宅樓等。剛框架結構主要用于大跨度的結構，比如購物商場、火車站等。本文以鋼框架為例探討鋼架結構的隔振性能。

框架結構主要有梁和柱來承擔載荷，相比其他承重結構，有其優(yōu)缺點。對于設計工作者來說，要合理掌握其優(yōu)缺點，使其能更好的發(fā)揮自身性能，揚長避短，更好地為社會服務。

框架結構的優(yōu)點：

1）空間分隔靈活。

2）自重輕，節(jié)省材料。

3）便于裝配，施工方便。

4）可以節(jié)省工期。

框架結構的缺點：

1）框架結構的梁柱裝配而成，屬于柔性框架，地震容易造成非結構的破壞。

2）框架結構施工受季節(jié)、環(huán)境影響較大。

3）框架結構不適宜于高層建筑。一般適用于不超過15層的建筑。

目前，國內大多數結構均為框架結構，在地震作用下造成的非結構破壞比較多，如何保證框架結構的抗震性能是目前研究所關注的主要問題。疊層橡膠減震支座由于其獨特的減震特性，近年來在框架結構得到越來越多的應用。本文以1棟8層的框架結構為例探討研究疊層橡膠減震支座的應用。

1.1 工程概況

采用的模型為華聯購物商廈鋼框架結構，層數為8層，層高4m，總高32m。框架結構總長6×8m＝48m。框架結構總寬3×8m＝24m。鋼框架柱為矩形橫截面，尺寸為500mm×500mm。鋼框架結構外環(huán)梁尺寸為300mm×500mm，內環(huán)梁尺寸為250mm×500mm。樓板厚度為200mm。由于框架結構的外墻只承擔維護作用，故建模不考慮墻體模型，僅建立梁、柱和樓板的模型。框架結構實體模型見圖1框架有限元模型示意圖。

本框架結構處于Ⅲ類場地，抗震設防烈度為7度，抗震等級為Ⅰ級，設計使用年限為100a。鋼材料選Q235鋼，楊氏模量為2×1011N／m2，泊松比為0.3，密度為7 850kg／m3。樓板的混凝土強度等級為C30，彈性模量為3.0×1010N／m2，泊松比為0.2，密度為2 500kg／m3。

1.2 框架結構有限元模型建立

框架結構柱、梁的橫截面尺寸與其長度的比值符合梁的特性，故框架柱、外環(huán)梁和內環(huán)梁采用Beam188進行模擬。分別給定梁橫截面的屬性以及相應的材料屬性。梁柱有限元模型見圖2梁單元模型示意圖。樓板厚度相比其長度和寬度較小，符合殼單元的特性。樓板建模采用殼模擬，選擇Shell181，給定樓板的厚度以及相應的材料屬性。樓板有限元模型見圖3殼單元模型示意圖。

圖1 框架結構有限元模型示意圖

圖2 梁單元模型示意圖

1.3 梁柱連接方式

鋼框架結構梁柱的連接方式有2種：剛接和鉸接。本案例模型適用于剛接。

柱和梁均采用梁單元模擬，其節(jié)點擁有相同的自由度，都為6個自由度，故其在交接處節(jié)點自由度匹配。剛接即代表交接處的節(jié)點所有自由度都相同。借助ANSYS軟件里面的合并節(jié)點的操作，對梁和柱的節(jié)點進行合并。合并節(jié)點后的有限元模型見圖4剛接有限元模型。

圖3 殼單元模型示意圖

圖4 剛接有限元模型

2 大型框架隔振結構地震響應分析

2.1 地震譜的選取

華聯購物商廈處于Ⅲ類場地，抗震設防烈度為7度，抗震等級為Ⅰ級，設計使用年限為100a。參考《建筑抗震設計規(guī)范》選取地震響應計算公式如下，地震頻譜表如表1所示。

表1 地震頻譜表

2.2 地震波的選取

以“中國天津地震豎向記錄”為例說明地震波的計算。天津地震波為豎向加速度波，記錄時長為5s，時間間隔為0.01s，計算時每隔0.1s取一個值。地震波中所選取的數值無法直接用于計算，必須對其做相應的處理才可用于分析。

結構設計烈度為7度，根據國家地震局批準的烈度表可知，最大水平加速度為0.125 g，而天津波實測的最大加速度為，因此必須對其做相應折算才能用于實際的計算。對于7級地震一般選取av＝a／2，故天津地震波的記錄值需要乘以，處理后的地震波見表2地震波輸入值和圖5地震波與時間關系圖。

表2 地震波輸入值

續(xù)表2

圖5 地震波與時間關系圖

2.3 鋼框架地震響應分析

要研究結構在隨時間變化的地震載荷作用下各個點的振動響應，因此選取地震波進行計算。計算時采用瞬態(tài)動力學進行分析。

瞬態(tài)動力學求解有完全法、模態(tài)疊加法和縮減法3種計算方法。完全法采用完整的矩陣進行計算，可以考慮結構非線性?？s減法和模態(tài)疊加法相比完全法計算效率較高，縮減法是以主自由度和縮減矩陣進行求解，模態(tài)疊加法是基于模態(tài)求解的基礎上進行的分析。本文模型規(guī)模不是很大，故采用瞬態(tài)動力學完全法進行求解。

所采用的模型與模態(tài)分析一致，輸入的地震波曲線見圖5。分別計算結構在考慮減震和不考慮減震的情況下，框架頂端位移、頂層加速度和基地剪力隨時間的變化情況。

水平地震加速度情況下頂層X方向位移響應曲線和加速度響應曲線見圖6～7。

圖6 頂層位移響應曲線對比圖

圖7 頂層加速度響應曲線對比圖

豎向地震加速度情況下頂層Y方向位移響應曲線和加速度響應曲線見圖8～9。

圖8 頂層位移響應曲線對比圖

從圖6～9結果對比可知：

圖9 頂層加速度響應曲線對比圖

1）在水平地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層X方向位移響應曲線和加速度響應曲線與水平地震波曲線趨勢基本一致。

2）水平地震作用下，考慮隔振的頂層X方向位移最大值較未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座對于結構的抗震有利。

3）水平地震作用下，考慮隔振的頂層X方向加速度最大值相比未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座后在地震作用情況下，結構能夠承受更大的加速度的沖擊。

4）在豎向地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層Y方向位移響應曲線和加速度響應曲線與豎向地震波曲線趨勢基本一致。

5）豎向地震作用下，考慮隔振的頂層Y方向位移最大值較未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座對于結構的抗震有利。

6）豎向地震作用下，考慮隔振的頂層Y方向加速度最大值相比未考慮隔振最大值大，說明采用疊層橡膠支座后在地震作用情況下，結構能夠承受更大的加速度的沖擊。

7）通過研究水平地震波和豎向地震波下結構的位移響應和加速度響應可知，采用疊層橡膠支座后結構的各項性能較未考慮隔振有明顯提高。

3 結 論

為了研究疊層橡膠支座的抗震特性，本文以華聯購物商廈為例，分別進行了模態(tài)分析和地震響應分析。通過分析得到以下結論：

1）采用疊層橡膠支座后，結構的固有頻率相比未考慮隔振的頻率要低。

2）同階陣型情況下，框架結構的振動趨勢基本一致。考慮疊層橡膠支座的框架結構整體都有振動特性，未考慮隔振的結構底部振動不如采用隔振后的結構明顯，這與理論一致。

3）在水平地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層X方向位移響應曲線和加速度響應曲線與水平地震波曲線趨勢基本一致?？紤]隔振X方向位移最大響應和最大加速度相比未考慮隔振要大。

4）在豎向地震作用下，未考慮隔振和考慮隔振的頂層Y方向位移響應曲線和加速度響應曲線與豎向地震波曲線趨勢基本一致。考慮隔振Y方向位移最大響應和最大加速度相比未考慮隔振要大。

5）通過對華聯商廈框架結構動力特性分析可知，采用疊層橡膠支座后結構的各項性能較未考慮隔振有明顯提高，驗證了疊層橡膠支座的隔振效果，對于工程實踐有理論的指導意義。

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