橡膠支座基礎(chǔ)頂面隔震分析

韓流濤，常璐，杜獻賓，葛 楠

(1.華北理工大學 河北省地震工程研究中心，河北 唐山063009；2. 華北理工大學 外國語學院，河北 唐山063009；3. 秦皇島興龍建設(shè)工程有限公司，河北 秦皇島066004)

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橡膠支座基礎(chǔ)頂面隔震分析

韓流濤1，常璐2，杜獻賓3，葛 楠1

(1.華北理工大學 河北省地震工程研究中心，河北 唐山063009；2. 華北理工大學 外國語學院，河北 唐山063009；3. 秦皇島興龍建設(shè)工程有限公司，河北 秦皇島066004)

橡膠支座；基礎(chǔ)頂面；MATLAB；層間位移；隔震效果

根據(jù)拉格朗日方程，在簡化結(jié)構(gòu)計算模型的基礎(chǔ)之上，推導(dǎo)出橡膠支座基礎(chǔ)頂面隔震動力反應(yīng)的計算公式。利用MATLAB和ORIGIN軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，最終以圖像的形式表現(xiàn)出來。研究結(jié)果表明：把橡膠支座設(shè)置在基礎(chǔ)頂面與無隔震相比具有顯著的隔震效果，當Cr=4 000 kN/(m·s)，kr=3 000 kN/m時，隔震效果保持在95%以上，甚至達到98.76%。

0 引言

傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計是通過提高結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性來抵抗地震的作用，主要依靠結(jié)構(gòu)自身來吸收地震輸入的能量，所以亦允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的損傷[1-4]，這也可滿足 “小震不壞，中震可修，大震不倒”[5]的設(shè)防要求?；A(chǔ)頂面隔震是在建筑物的基礎(chǔ)頂面與建筑上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置具有整體復(fù)位功能的隔震層，通過延長隔震系統(tǒng)的自振周期，來阻隔地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞?；A(chǔ)隔震主要由隔震裝置來吸收地震輸入的能量，幾乎不需要上部結(jié)構(gòu)來吸收地震傳入的能量，所以可以避免上部結(jié)構(gòu)損傷造成的人身和財產(chǎn)損失。從分析基礎(chǔ)頂面隔震的理論可知，基礎(chǔ)頂面隔震相對于傳統(tǒng)抗震設(shè)計理念更具有優(yōu)越性、安全性和可靠性。

1 隔震模型的簡化

基礎(chǔ)頂面橡膠隔震裝置包括橡膠隔震支座和阻尼器。橡膠隔震支座亦具有價格低廉的優(yōu)勢[6]。地震時，隔震層基本吸收了地震輸入的能量，上部結(jié)構(gòu)相對于隔震層來說作用非常小，可以把上部結(jié)構(gòu)等效成一個質(zhì)點，建立多質(zhì)點模型。橡膠隔震裝置被安裝在基礎(chǔ)頂面和上部結(jié)構(gòu)之間，基礎(chǔ)頂面橡膠隔震模型如圖1所示。圖中：

mi—第i層的等效質(zhì)量；M1—隔震層的質(zhì)量；

ki—建筑結(jié)構(gòu)第i層的等效剪切剛度；Ci—建筑結(jié)構(gòu)第i層的等效阻尼系數(shù)；

ks—隔震系統(tǒng)自振的等效剛度； cs—隔震系統(tǒng)自振的等效阻尼比；

kr—橡膠隔震層的等效剛度； cr—橡膠隔震層的等效阻尼比。

2 實例計算與結(jié)果分析

圖1 基礎(chǔ)頂面橡膠隔震模型

等效剛度kN/m基礎(chǔ)頂面kr=3×103基礎(chǔ)頂面kr=3×104基礎(chǔ)頂面kr=6×104基礎(chǔ)頂面kr=1．2×105基礎(chǔ)頂面kr=2．4×105無隔震kr=3×103隔震效率0～1層10．524．744．5104．9183．2376．997．211～2層10．123．138．893．8161．6361．097．202～3層9．420．932．881．8139．8329．897．153～4層8．218．126．768．6116．9282．097．094～5層6．714．521．354．092．1220．896．975～6層5．210．215．037．563．9152．596．596～7層2．85．37．719．232．878．696．44

表2 天津波等效阻尼比與最大樓層位移(mm) [Cr=4 000 kN/ (m·s)]

表3 上海波等效剛度與最大層間位移(mm) [Cr=4 000 kN/ (m·s)]

表4 上海波等效剛度與最大樓層位移(cm) [Cr=4 000 kN/ (m·s)]

圖2 等效剛度對最大層間位移的影響(天津波) 圖3 等效剛度對最大樓層位移的影響(天津波)

圖4 等效剛度對最大樓層速度的影響(天津波) 圖5 等效剛度對最大樓層加速度的影響(天津波)

圖6 等效剛度對最大層間位移的影響(上海波) 圖7 等效剛度對最大樓層位移的影響(上海波)

圖8 等效剛度對最大樓層速度的影響(上海波) 圖9 等效剛度對最大樓層加速度的影響(上海波)

樓層位移是建筑結(jié)構(gòu)的絕對位移，而層間位移是建筑結(jié)構(gòu)相鄰樓層的位移差，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與層間位移直接相關(guān)，所以下面?zhèn)戎赜懻搶娱g位移[7]。在Cr=4 000 kN/(m·s)和地震波分別為天津波和上海波的前提條件下，由表1和圖2可以看出，在天津波作用下，最大層間位移隨著等效剛度的增加而增加，隨著層間的增加而減小，并且基礎(chǔ)頂面隔震模型的最大層間位移都遠小于無隔震的最大層間位移，這說明基礎(chǔ)頂面隔震模型有很明顯的隔震效果。在kr=3 000 kN/m 時，隔震效率都在95%以上，甚至達到97.21% 。表3和圖6表明，在上海波的作用下，最大層間位移整體上基本都遵循這一規(guī)律，在kr=3 000 kN/m 時，隔震效率都在95%以上，甚至達到98.76% 。可以概括為：等效剛度越大，最大層間位移越大，越不利于抗震的設(shè)防要求。圖4和圖5說明在天津波作用下，隨著等效剛度的增加，樓層最大速度和樓層最大加速度也都在遞增，從這2個圖可以看出當kr取值為120 000 kN/m 以上時，部分低層的速度和加速度會超過無隔震的情形，這不利于抗震的需求。但由于在抗震設(shè)計中，為了隔離地震的作用，往往應(yīng)使建筑結(jié)構(gòu)上部的等效剛度遠大于隔震層的水平等效剛度，所以實際工程中kr不會取相對較大的數(shù)值，亦不會對隔震效果造成不利影響。圖8和圖9說明在上海波作用下，樓層最大速度和加速度隨著等效剛度的增加而增加，與此同時，基礎(chǔ)頂面隔震的最大樓層速度和樓層加速度要遠小于無隔震的情形。結(jié)合在天津波作用下的結(jié)果可知，基礎(chǔ)頂面隔震模型在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性應(yīng)比無隔震結(jié)構(gòu)高很多，即增加了建筑結(jié)構(gòu)的舒適性和安全性。

3 結(jié)論

(1)把上部結(jié)構(gòu)等效成一個質(zhì)點的條件下，建立結(jié)構(gòu)的多質(zhì)點計算模型，利用MATLAB和ORIGIN軟件對圖形進行處理分析，最終以圖形的形式表現(xiàn)出來。

(2)橡膠支座基礎(chǔ)頂面隔震體系具有顯著的隔震效果，最大層間位移、樓層最大速度及加速度都明顯減小，隔震效果甚至達到98.76%。

(3)理論分析表明，橡膠隔震支座的等效剛度直接影響建筑隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果,橡膠隔震支座的等效剛度越小，越有利于建筑隔震。

[1]侯鵬．夾層橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動力分析[D]．成都：西南交通大學，2003.

[2]曾德民．橡膠隔震支座的剛度特征與隔震建筑的性能試驗研究[D]．北京：中國建筑科學研究院，2007.

[2]王文斌．疊層橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)研究[D]．石河子：石河子大學，2006.

[2]趙慧雯．鉛芯橡膠隔震支座對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析[D]．西安：西安建筑科技大學，2008.

[2]中華人民共和國建設(shè)部．建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2010)[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]唐家祥，李黎，李英杰，等．疊層橡膠基礎(chǔ)隔震房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J]．北京：建筑結(jié)構(gòu)學報，1996，17(02)：37-47+79.

[2]韓流濤，常璐，葛楠．橡膠支座地下室頂板與基礎(chǔ)頂面隔震對比[J]．唐山：河北聯(lián)合大學學報(自然科學版)，2015，37(02)：94-100.

Analysis of Seismic Isolation of Top Surface of Rubber Support Foundation

HAN Liu-tao1, CHANG Lu2, DU Xian-bin3, GE Nan1

(1.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China;2. College of Foreign Languages, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China;3. Qinhuangdao Xinglong Construction Engineering Co. Ltd. Qinhuangdao Hebei 066004, China)

rubber support; top surface of foundation; MATLAB; interlayer displacement; isolating effect

According to Lagrange’s equation and based on simplification of structure calculation model, a calculation formula of dynamic response of seismic isolation of top surface of rubber support was derived. MATLAB and ORIGIN softwares for data processing and analysis were applied , the data were shown by images finally. The research results show that: compared with no isolation, the effect of setting the rubber support on top surface of foundation is obvious, when Cr=4 000 kN/ (m·s),kr=3 000 kN/m, the effect of seismic isolation remains above 95% or even up to 98.76%.

2095-2716(2016)01-0101-06

2015-09-06

2015-11-20

河北省科技支撐項目(11215120D)

TU398+.9

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