底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

張敏 占科彪

摘 要：為探究底部框架砌體房屋在地震激勵(lì)下的地震響應(yīng)，分析了底部兩層框架上部四層砌體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，在底部兩層框架中均勻設(shè)置粘滯阻尼器并在框架頂層與砌體層之間增設(shè)隔震層，形成底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu).采用狀態(tài)方程直接積分法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震激勵(lì)下的響應(yīng)分析，且與SAP2000軟件建立的減震和抗震結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果表明，兩種方式下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)基本吻合；另外，還采用強(qiáng)制解耦法進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算，并與前述積分法對(duì)比，結(jié)果表明，強(qiáng)制解耦法隨著振型階數(shù)的增大，精度逐漸降低，但在前二階振型中具有很好的精度，超過第三階誤差將逐漸增大.研究結(jié)果表明，減震結(jié)構(gòu)具有良好的減震性能，狀態(tài)方程直接積分法對(duì)于底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu)的計(jì)算具有較強(qiáng)的實(shí)用性.

關(guān)鍵詞：底部框架；阻尼；隔震；減震；狀態(tài)方程；解耦

中圖分類號(hào)：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

底部框架砌體房屋可以充分利用底部框架的優(yōu)點(diǎn)，較靈活地進(jìn)行服務(wù)大廳、商鋪、餐廳等大空間的布置；而上部采用多層砌體結(jié)構(gòu)形式，可用作辦公室、住宅和小旅館等小空間建筑.底部框架砌體房屋由兩種承重和抗側(cè)力體系構(gòu)成，屬于下部較柔上部剛度較大且自重大的結(jié)構(gòu).1994—1999年，中國建筑科學(xué)研究院抗震所等單位，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的抗震性能和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一系列研究[1-4] .國內(nèi)對(duì)底部框架砌體房屋的一般做法是在底層或者底部兩層的縱向和橫向都均勻布置一定數(shù)量的抗震墻，且在設(shè)計(jì)上讓抗震墻幾乎承擔(dān)全部的地震剪力，但是底層的抗震墻布置得不合理時(shí)，就難以使其充分發(fā)揮作用，可能會(huì)改變底層框架的受力和變形形式[5]，從而對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震能力產(chǎn)生不利影響.至今，對(duì)多層隔震結(jié)構(gòu)[6]和基礎(chǔ)隔震[7]結(jié)構(gòu)研究較多，為改善該類結(jié)構(gòu)的抗震性能，也有學(xué)者提出被動(dòng)耗能減震的設(shè)計(jì)方法[8].2006年，黃文等[9]提出把隔震橡膠墊放置在上部砌體與底層框架結(jié)構(gòu)之間的隔震措施，得到隔震層具有較大的變形和耗能能力，大大削弱了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響.汶川地震后，許多學(xué)者對(duì)該類房屋的震害作了詳細(xì)的調(diào)查和分析[10-11].2013年，申波等[12]提出了在底部框架層增設(shè)防屈曲支撐的減震方式，結(jié)果表明在底部框架砌體房屋中增設(shè)防屈曲支撐有利于結(jié)構(gòu)耗能，可以提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能.另外，在結(jié)構(gòu)上設(shè)阻尼器以改善結(jié)構(gòu)抗震性能的研究也很多[13-15].近年來，為探索耗能減震結(jié)構(gòu)新的設(shè)計(jì)方法，有關(guān)學(xué)者[16-17]提出了狀態(tài)方程直接積分的計(jì)算方法，并驗(yàn)證了該方法的合理性以及精確性.

本文提出對(duì)底部兩層框架層增設(shè)粘滯阻尼器，并在底部框架與上部砌體結(jié)構(gòu)間增設(shè)隔震層，形成底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在底部框架中設(shè)阻尼器，并在上部砌體結(jié)構(gòu)底部設(shè)隔震裝置來減弱下部框架的地震反應(yīng)；上部砌體底部的隔震裝置可降低上部砌體結(jié)構(gòu)的地震作用.由于國內(nèi)對(duì)底部框架房屋利用該種混合減震設(shè)計(jì)方法的研究極少，故本文提出該結(jié)構(gòu)并對(duì)其采用狀態(tài)方程直接積分法求解其振動(dòng)微分方程，并借助軟件SAP2000對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行合理性驗(yàn)證.

1 底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

底部兩層框架雙功能減震結(jié)構(gòu)由于在底部框架層增設(shè)了粘滯阻尼器，因而可以將下部兩層框架簡化為兩個(gè)質(zhì)點(diǎn).隔震層以上砌體結(jié)構(gòu)，由于本身的層間變形相對(duì)底部框架小得多，因而可忽略上部砌體的層間變形，簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn).該結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1.

圖1中，m1，m2分別為下部框架第一層和第二層的質(zhì)量；c1，c2分別為下部框架第一層和第二層的阻尼系數(shù)，包括結(jié)構(gòu)自身阻尼系數(shù)和阻尼器附加的阻尼系數(shù)；k1，k2分別為下部框架第一層和第二層抗側(cè)剛度，不考慮粘滯阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的增加；mu為上部砌體結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量；ku，cu分別為隔震層的水平等效剛度和阻尼系數(shù)[18]；x1，x2，xu為底部框架第一、第二層和上部砌體結(jié)構(gòu)整體相對(duì)于基礎(chǔ)的位移；g為地面加速度時(shí)程.

一般地，當(dāng)?shù)撞靠蚣苡衝層時(shí)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程為：

M+C+Ca+KX=-MIg （1）

其中：

M=；C=； M0=diag（mi）（i=1，2，…，n）

Ca=； K=

E=； E0=； X==

式中，M——結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量矩陣；Ca——阻尼器和隔震裝置附加給結(jié)構(gòu)整體的阻尼矩陣；Cd——阻尼器附加給底部框架阻尼矩陣；M0——底部框架質(zhì)量矩陣；C0——底部框架自身的阻尼矩陣；K0——底部框架剛度矩陣；X——結(jié)構(gòu)整體各樓層相對(duì)基礎(chǔ)的位移； x——底部框架各樓層相對(duì)基礎(chǔ)的位移，0——零向量.

2 狀態(tài)方程直接積分法

2.1 地震作用響應(yīng)

對(duì)設(shè)置了粘滯阻尼器和隔震支座的底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu)，令X=？椎q，則方程（1）變?yōu)椋?/p>

++q=-？椎TMIg（2）

式中，=？椎TM？椎，=？椎TK？椎和=？椎T（C+Ca）？椎分別為廣義質(zhì)量、廣義剛度和廣義阻尼矩陣，？椎為整體結(jié)構(gòu)振型矩陣，q為正則坐標(biāo)向量.將方程（2）寫為狀態(tài)方程形式，令：

Z=q （3）

=（4）

并補(bǔ)充方程-=0，可得：

=AZ+P（t） （5）

其中：

A= （6）

P（t）=g （7）

對(duì)方程（5）進(jìn)行求解，取初始狀態(tài)Z0=0，可得：

Z=eA（t-？子）P（？子）d？子（8）

假設(shè)輸入系統(tǒng)的信號(hào)在時(shí)間段？駐t=tk+1-tk內(nèi)連續(xù)變化，則第（k+1）步時(shí)的響應(yīng)可表示為：

Zk+1=eP（？子）d？子=eeP（？子）d？子+eP（？子）d？子=

？漬（？駐t）Zk+eP（？子）d？子（9）

其中，？漬（？駐t）為指數(shù)形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣I為單位矩陣，其展開如下式：

？漬（？駐t）=eA△t=I+A？駐t+++？噎++？噎（10）

采用Cotes積分法，可得：

Zk+1=？漬（？駐t）Zk+（7？漬（？駐t）P（tk）+32？漬（）P（tk++

12？漬（）P（tk+）+32？漬（）P（tk+）+7P（tk+1））（11）

進(jìn)而求得：

=AZ+P（t） （12）

q=Hd Z （13）

=Hv Z （14）

=Hv （15）

其中：

Hd=[I 0] （16）

Hv=[0 I] （17）

從而可得結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)X=？椎q，=？椎和=？椎，其中0——0矩陣.

2.2 地震作用分析

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[19]定義的地震作用是以自身阻尼較小的抗震結(jié)構(gòu)為對(duì)象，因此忽略了阻尼而采用質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量與其絕對(duì)加速度乘積的形式.但設(shè)置阻尼器后，結(jié)構(gòu)阻尼較大，原定義就不能再被采用，故本文各質(zhì)點(diǎn)地震作用向量一般定義：

F=KX （18）

因?yàn)閄=？椎q，則F=K？椎q，結(jié)合=？椎TK？椎，則有：

？椎TF=q（19）

對(duì)式（19）兩邊同乘-1，可得-1？椎TF=-1q，即：

？椎-1M-1（？椎T）-1？椎TF=？棕2q（20）

其中？棕2=-1=diag（）（j=1，2，？噎，n），則由式（20）可得地震作用向量為：

F=M？椎？棕2q （21）

進(jìn)而，結(jié)構(gòu)第j階地震作用向量為：

Fj=M？椎j··qj （22）

第j振型第i質(zhì)點(diǎn)地震作用向量：

Fji=Mi·？椎ji··qj （23）

使用式（23），可以計(jì)算底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu)各樓層的地震作用.

3 強(qiáng)制解耦法

當(dāng)?shù)撞靠蚣軐釉O(shè)有粘滯阻尼器時(shí)，附加阻尼矩陣Cd對(duì)振型不具有正交性，則振型分解法不再適用求解振動(dòng)方程.歐進(jìn)萍等[20-22]認(rèn)為對(duì)某些耗能減震結(jié)構(gòu)，其非正交阻尼矩陣可采用強(qiáng)制解耦，其精度一般較高.另外，振型分解法因其計(jì)算簡單，不少文獻(xiàn)中也提出對(duì)附加阻尼矩陣Cd采用強(qiáng)制解耦，即取其非對(duì)角線元素為0（？椎jTCd？椎j=0（i≠j））.

4 算例設(shè)計(jì)

某底部框架砌體結(jié)構(gòu)房屋，總層數(shù)六層，底部兩層框架，層高分別為5.0 m和3.6 m，上部四層砌體層高均為3.0 m，總高20.6 m，結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示；首層和第二層框架梁截面分別為400 mm×700 mm和400 mm×800 mm，柱截面為650 mm×650 mm；上部砌體每層構(gòu)造柱尺寸240 mm×240 mm，圈梁240 mm×300 mm，均采用MU10砌塊，墻厚240 mm，第三層過渡層砌體墻采用M10砂漿，第四層到第六層砌體墻采用M7.5砂漿；除第二層樓板厚度為150 mm外，其余樓板均為100 mm；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30 .抗震設(shè)防烈度為8（0.2 g）度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，II類場(chǎng)地，設(shè)防類別為丙類；樓屋面的恒載標(biāo)準(zhǔn)值為4.5 kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.0 kN/m2，首層框架梁上的線荷載為6.0 kN/m .

為了分析結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)，在底部框架兩樓層中均沿橫向布置粘滯阻尼器，單個(gè)阻尼器系數(shù)為Cd=2.5×103 kN·s/m；隔震層布置在框架層與砌體層之間，選用柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)型號(hào)為JZY1Q520×198的鉛芯橡膠支座，其水平等效剛度多遇地震下取值kh=1.54×103 kN/m（等效阻尼比？孜u=0.26），罕遇地震下取值kh=1.09×103 kN/m（等效阻尼比？孜u=0.15），詳細(xì)參數(shù)可查閱該公司《建筑隔震產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)》.

圖2（a）中“（1-2）”，代表框架在該跨第一至第二層均布置阻尼器，每層橫向總阻尼系數(shù)均為Cd=15×103 kN·s/m；隔震層總水平剛度，多遇地震下為kh=3.08×104 kN/m，罕遇地震下為kh=2.18×104 kN/m.取適用第II類場(chǎng)地的El Centro波作為外部地震激勵(lì)輸入，對(duì)多遇地震，加速度峰值調(diào)整至70 cm/s2，對(duì)罕遇地震，加速度峰值調(diào)整為400 cm/s2 ，僅沿橫向進(jìn)行單向地震響應(yīng)分析.

5 底部兩層框雙功能減震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

針對(duì)多遇地震或者罕遇地震，采用SAP2000和本文狀態(tài)方程直接積分法對(duì)底部兩層框架雙功能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從圖3—圖5可以看出，結(jié)構(gòu)在不同地震響下具有類似的變化規(guī)律，而且頂層加速度時(shí)程曲線、基底剪力時(shí)程曲線和隔震層變形時(shí)程曲線在兩種分析方法下吻合較好，誤差較小，表明狀態(tài)方程直接積分法在本文結(jié)構(gòu)中進(jìn)行求解分析具有較好的精確性.

6 強(qiáng)制解耦法誤差分析

圖6表明，沿橫向均勻設(shè)置了阻尼器的底部兩層框架砌體結(jié)構(gòu)，采用強(qiáng)制解耦進(jìn)行求解，若結(jié)構(gòu)振動(dòng)階數(shù)越高，誤差會(huì)越大，但前二階振動(dòng)采用強(qiáng)制解耦法時(shí)誤差較小，可以忽略，第三階誤差振動(dòng)較大.這表明，強(qiáng)制解耦法求解對(duì)較低階振型具有較好的精度，而對(duì)高階振型精度較差，因此宜采用前述狀態(tài)方程直接積分法求解.

7 底部兩層框架雙功能減震結(jié)構(gòu)減震效果分析

為了說明減震效果，本文分析了該減震結(jié)構(gòu)和相應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，結(jié)果如下.

7.1 樓層最大層位移

7.3 底部框架層最大層間剪力分析

使用式（23）可以計(jì)算出每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在各階振型下的地震作用，由此可計(jì)算出底部兩層框架各樓層的層間最大剪力，見圖9.

從圖7—圖9可見，采用SAP2000和狀態(tài)方程直接積分法分析結(jié)果基本相符.另外，由圖表明：

1） 圖7中，減震結(jié)構(gòu)，底部框架的第二層與上部砌體層之間的隔震層變形較大，變形集中在隔震層，表明隔震層不僅可以起到隔離地震激勵(lì)向上部砌體結(jié)構(gòu)的傳遞，而且也耗散了大部分地震能量，使上部砌體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)較小；另外，底部框架層最大層位移比抗震結(jié)構(gòu)小得多，表明結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)得到了有效降低，對(duì)結(jié)構(gòu)整體起到了減震效果.

2） 圖8中，抗震結(jié)構(gòu)，底部框架層層間位移角很大，多遇地震下，首層和第二層均超過彈性層間位移角限值1/800，即1.25×10-3；罕遇地震下，首層和第二層均超過了相應(yīng)的層間位移角限值1/300，即3.33×10-3；但底部兩層框雙功能減震結(jié)構(gòu)在兩種情況下，層間位移角均未超限，表明底部框架層在多遇地震下能夠保持良好的工作狀態(tài).

3） 圖9中，底部兩層框架雙功能減震結(jié)構(gòu)，無論是在多遇地震還是罕遇地震下，其底部兩層框架的最大層間剪力均比相應(yīng)的傳統(tǒng)底部兩層框架砌體結(jié)構(gòu)小得多，首層最大層間剪力減小幅度大于第二層的相應(yīng)值，因而，底部框架層減震效果較好.

8 結(jié)論

通過對(duì)底部兩層框架砌體雙功能減震結(jié)構(gòu)采用狀態(tài)方程直接積分法求解地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)，并與有限元分析軟件SAP2000的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由此表明狀態(tài)方程直接積分法具有良好的計(jì)算精度；并且對(duì)強(qiáng)制解耦法的精確性也作了分析.主要結(jié)論如下：

1） 在框架層沿橫向均勻設(shè)置阻尼器以及在上下結(jié)構(gòu)間設(shè)置隔震層后，采用狀態(tài)方程直接積分法求解的結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)跟有限元軟件的分析結(jié)果基本一致，從圖3—圖5和圖7—圖9可以看出，兩者結(jié)果吻合得較好，表明狀態(tài)方程直接積分法在該結(jié)構(gòu)中求解分析具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以作為該類結(jié)構(gòu)分析的一種理論計(jì)算方法.

2） 對(duì)于底部兩層框架雙功能減震結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制解耦法可以在前兩階振動(dòng)下取得較為精確的結(jié)果，但對(duì)于高階振動(dòng)（不小于三階），誤差較大，且振動(dòng)階數(shù)越高，求解偏差越大.故此，強(qiáng)制解耦法可用于求解該類結(jié)構(gòu)第一階和第二階的地震反應(yīng)，對(duì)高階振動(dòng)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)不宜使用該法.

3） 對(duì)于底部兩層框架雙功能減震結(jié)構(gòu)，隔震層能夠有效地耗散地震能量，隔離地震激勵(lì)向上部砌結(jié)構(gòu)傳遞；底部兩層框?qū)拥膶娱g最大位移角均滿足抗震要求；上部砌體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為剛體整體平移；相對(duì)傳統(tǒng)底部兩層框架砌體結(jié)構(gòu)，底部兩層框架雙功能減震結(jié)構(gòu)底部第一層和第二層的層間最大剪力小得多.

4） 當(dāng)?shù)撞靠蚣軐拥馁|(zhì)量和剛度沿高度分布均勻，且在底部框架頂層與上部砌體層之間設(shè)置了隔震層的底部框架結(jié)構(gòu)，針對(duì)底部框架層有無阻尼器的情形，均可采用狀態(tài)方程直接積分法求解其振動(dòng)方程.

5） 從結(jié)論2）和結(jié)論3）可以得出，與抗震結(jié)構(gòu)對(duì)比，底部框架雙功能減震結(jié)構(gòu)具有良好的減震性能.

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Analysis of seismic response of bifunctional damping

structure of bottom frame

ZHANG Min， ZHAN Ke-biao

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and

Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： To explore the seismic response of bottom-frame-masonry buildings subjected to the earthquake excitation， with the structure of bottom two-layers frame and upper four-layers masonry as the computational model， viscous dampers are evenly installed in bottom two-layers frame and isolation layer is set between the top of the frame and bottom of the masonry， bifunctional damping structure of bottom frame are formed. State equation direct integral method are adopted to calculate the seismic response of the structure， the results are contrasted with the calculation of the software SAP2000 for damping and aseismic structure. The analysis results show the basic coincidence of two types of structure seismic response. Meanwhile， the forcing decoupling method is also adopted to study the structure， which compares with state equation direct integral method. The consequence indicates that the accuracy of the forcing decoupling method decreases gradually following the increase of the number of modal order， but there is a good precision in the first second order vibration and the error of exceeding the third order gradually increases. Research results show that damping structure has good damping performance， and that state equation direct integral method for bifunction damping structure of bottom frame has strong practicality.

Key words： bottom frame； damping； seismic isolation； seismic damping； state equation； decoupling

（學(xué)科編輯：黎 婭，張玉鳳）