基于有限元軟件的高阻尼橡膠隔震支座研究

王 君

(張家口第一建筑工程集團有限公司,河北 張家口 075000)

0 引言

歷史上因為地震災害導致的建筑、橋梁等結構破壞、倒塌的事件數不勝數，結構的破壞造成的人員傷亡難以承受，并且會導致巨大的經濟損失，使城市的經濟發(fā)展停滯。因此迫切的需要對隔震技術進行進一步研究與發(fā)展。目前，我國的建筑結構隔震技術最常見的是鉛芯疊層橡膠隔震支座，但是，鉛芯的使用會對環(huán)境造成不可逆的污染，同時該技術在低溫環(huán)境下有著顯著的缺陷，試驗研究顯示鉛芯疊層橡膠隔震支座在低溫條件下容易迅速硬化，而且在低周疲勞的作用下支座中的鉛芯容易發(fā)生剪切破壞，大大降低支座的阻尼性能。在此基礎上研究人員提出了性能穩(wěn)定的高阻尼橡膠隔震支座，該支座同時具有高阻尼和高隔震的性能，同時沒有有害物質，能夠在避免環(huán)境污染的同時保證工程結構的安全。

1 國內外研究現狀

Tsai等人對高阻尼橡膠支座的剪切性能進行了一系列的研究，針對加載速度和剪切變形等因素對支座的剪切性能的影響進行了詳細的分析，并且提出了支座的水平恢復力模型，并且通過實驗證實了其正確性。Burtscher等人為研究不同形式的高阻尼橡膠隔震支座的力學性能進行了一系列實驗，主要對其支座形狀系數以及鋼板的不同形式對支座的豎向剛度以及水平剪切性能的影響進行了研究、分析，結果表明二者對支座的豎向剛度以及水平剪切性能等力學性能影響較大。Masashi Yamamoto等人進行了高阻尼橡膠隔震支座的水平剪切性能實驗，分析了雙向耦合效應與支座的水平剪切性能的相關關系，并提出了支座的水平恢復力模型。模擬結果與實驗結果相符合。在國內，研究人員也加入到了對高阻尼橡膠隔震支座的研究當中，沈朝勇、周福霖等人[1]采用反復加載實驗的方法對新型橋梁高阻尼橡膠隔震支座的水平剪切性能的影響因素進行了相關的試驗研究，分別研究了高阻尼支座的剪應變相關性、壓應力相關性、溫度相關性、老化相關性等試驗，研究了相關的因素對支座的屈服強度、等效剛度、等效阻尼比等性能的影響。實驗結果顯示，高阻尼橡膠隔震支座的阻尼特征受加載頻率、溫度、老化、反復加載次數的影響較大，而剛度則受其影響較小。庾光忠、周函宇等人[2]對高阻尼橡膠材料的配方進行了設計與試驗，并且制作了實物模型并通過實驗驗證了該支座的設計合理性。通過建立非線性動力分析模型，相關結果相符合。孫冬冬、李吉剛等人[3]研究制作了直徑為600 mm的高阻尼橡膠支座的實物模型，并對其進行剪切應變相關性試驗，驗證等效水平剛度與等效阻尼比與剪切應變的相關性。實驗結果表明，等效水平剛度隨剪切應變的增加而減小。

2 有限元分析

2.1 工程概況

本工程為一6層框架混凝土結構，自基礎頂面至屋面板的總高度為6×3.6=21.6 m，柱網尺寸為6×4，X向5跨Y向4跨，層高3.6 m，采用8度抗震設防烈度，建筑結構安全等級：二級，設計使用年限：50年，二類a環(huán)境，設計基本地震加速度0.2g，建筑結構阻尼比：0.05，整個框架結構采用C30混凝土、HRB335鋼筋、HPB300箍筋結構尺寸分別為立柱尺寸：700 mm×700 mm；主梁尺寸：700 mm×300 mm；次梁尺寸：600 mm×300 mm；樓板厚：120 mm。作用荷載的標準值分別為：樓面均布永久荷載為3 kN/m2；樓面均布活荷載為q=2 kN/m2，基本風壓為0.45，其體形系數1.3，考慮到建筑設計的安全與實用，采用隔震技術以減小房屋的地震反應。

2.2 SAP2000建模

采用SAP2000有限元軟件對該6層框架結構進行建模,本文對結構輸入地震波el-centro波和tangshanSN波，對結構施加地震作用，分別定義反應譜函數和時程函數以及反應譜工況和時程工況以便進行地震模擬和分析。

時程工況輸出時段數定義為1 500，輸出時段大小0.02。由于本模型單位選擇N·mm，因此在定義反應譜工況時將比例系數定義為9 800。

2.3 隔震支座的選擇

為了達到隔震目的，需要通過在支座處設置隔震裝置，以起到延長自振周期避免共振的目的，本文選擇布置高阻尼橡膠隔震支座。在布置隔震支座前，首先通過對結構進行運行分析，得到在重力荷載下的柱底反力，結構要求豎向壓應力不得超過12 MPa，并通過公式,計算柱底處最小直徑。再通過結構的基底剪力求得所要求支座的水平屈服力,因此選擇尺寸為620 mm×620 mm的高阻尼橡膠隔震支座，隔震支座全部布置在結構柱底。

2.4 SAP2000有限元分析

2.4.1模態(tài)分析結果

分別對未布置隔震支座的基本結構與布置高阻尼橡膠隔震支座的結構進行模態(tài)分析，得到地震反應數據。分別對二者的振動周期進行了總結和對比，當結構布置隔震結構時前三階的周期為隔震時的4倍左右。顯然，布置高阻尼橡膠隔震支座在很大程度上延長了結構的自振周期，可以有效的避免共振的產生，進而減小地震作用對結構的影響。

2.4.2基底剪力時程分析

通過對隔震結構與非隔震結構進行時程分析，可得到兩種結構在el-centro波和tangshanSN波的作用下，在X方向產生的基底剪力數據，通過使用excel表格對數據進行分析對比，得到基底剪力時程曲線對比圖，從曲線對比圖可以直觀的看出當對結構施加隔震支座后基底剪力明顯減小，波動更加平緩，結構的地震響應顯著降低。

2.4.3層間剪力對比分析

對原結構和隔震結構分別在el-centro波和tangshanSN波的作用下的地震響應進行時程分析，可以得到兩個結構在X方向和Y方向的層間剪力值，可以看出無論從X向還是Y向，當結構施加高阻尼橡膠隔震支座后，層間剪力幾乎是未隔震結構的1/3，有明顯的減小，隔震結構的地震響應成倍降低。

3 分析總結

本文對一個6層鋼筋混凝土框架結構布置了高阻尼橡膠隔震支座，并用SAP2000有限元軟件分別對布置隔震支座的結構與非隔震結構進行有限元模態(tài)分析與時程分析，得到結構基底剪力、層間剪力、周期等數據，從數據中可以明顯的看出布置高阻尼隔震支座的結構相比原結構無論是從層間剪力、基底剪力還是自振周期等方面均有大幅度的優(yōu)化，能夠有效的避免結構的共振，可以明顯看出，當受到地震作用的時候布置隔震支座的結構能夠有效的減小地震的反應，高阻尼橡膠隔震支座的隔振效果良好。

4 發(fā)展與展望

高阻尼橡膠隔震支座是一種水平恢復力、豎向承載力、阻尼(耗能)為一體的隔震支座[4]，通過眾多學者的研究實驗驗證可以看出高阻尼橡膠隔震支座的滯回特點飽滿，耗能效果顯著，并且相對于一般橡膠支座不需要另加阻尼裝置，可以降低整體造價，大震后的殘余變形較小，耐久性比較好，減少了維修費用，HDR高阻尼橡膠隔震支座受溫度影響較小，可以廣泛的應用于全國各地。而且與現在最常用的鉛芯橡膠隔震支座相比，高阻尼橡膠隔震支座沒有外加污染性材料，更加環(huán)?！，F在高阻尼橡膠隔震支座已大量應用于橋梁工程，但其在房屋建筑結構中仍缺少實踐驗證，因此，我們仍需對高阻尼橡膠隔震支座進行進一步的探索與研究，使其能夠在維持較低的造價的同時，達到更加安全、耐久、抗老化的效果，能夠更好地發(fā)揮隔震性能。