框架剪力墻結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計分析

曹銳鋒

摘 要：地震災(zāi)害給人們的生活和經(jīng)濟帶來了巨大的影響，強大的破壞力可以直接摧毀建筑物?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的一種建筑形式。本文以已有的框架剪力墻結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，運用有限元軟件Etabs進行隔震設(shè)計分析，并研究了多遇地震作用下和罕遇地震作用下的不同隔震方案。對比分析發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)隔震和層間隔震都能起到很好的消能效果，但是基礎(chǔ)隔震消能效果更加顯著。

關(guān)鍵詞：框架剪力墻;有限元分析;隔震設(shè)計;消能效果

中圖分類號：TU973.16文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0087-03

Analysis on Seismic Isolation Design of Frame Shear Wall Structure

CAO Ruifeng

（School of Civil Engineering and Transportation， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Earthquake disasters have had a huge impact on people's lives and economy， and powerful destructive power can directly destroy buildings. Frame shear wall structure is a kind of building form that is widely used nowadays. Based on the existing frame shear wall structure， this paper uses the finite element software Etabs to carry out seismic isolation design analysis， and studies different seismic isolation schemes under the action of frequent and rare earthquakes. Comparative analysis finds that both basic isolation and layer isolation can have a good energy dissipation effect， but the effect of basic isolation and energy dissipation is more significant.

Keywords： frame shear wall;finite element analysis;seismic isolation design;energy dissipation effect

地震災(zāi)害直接影響人們的生命安全和財產(chǎn)安全，一場地震可以直接摧毀人們居住的房屋和交通，更不用說地震災(zāi)害引發(fā)的次生災(zāi)害。地震災(zāi)害對房屋建筑的破壞是巨大的，隨著現(xiàn)代化和城市化的推進，高層建筑成為越來越多人選擇的居住方式。其中，框架剪力墻結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用普遍，因其框結(jié)構(gòu)的受力特征結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同的抗側(cè)力方式和橫向強度能力[1]。基于此，本文對已有的框架剪力墻結(jié)構(gòu)進行了基礎(chǔ)隔震和層間隔震研究。

1 工程實例概況

某高層建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層為12層，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g（g為重力加速度，取9.8 m/s2），特征周期為0.55 s。下面用有限元軟件Etabs對結(jié)構(gòu)進行建模分析，結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。

2 隔震模型建立

2.1 隔震方案和配置

對于建筑物來說，隔震層需要滿足五個基本條件：能夠支撐上部建筑物的質(zhì)量，并且不能有太大的豎向變形發(fā)生;要足夠柔軟，即要求剛度很小，以便有效隔絕地震波的傳遞;一旦發(fā)生地震，建筑振動完成后要求自動恢復(fù)到原先狀態(tài);能夠吸收地震輸入的能量，減少能量向上部建筑的傳遞;要有足夠的變形空間，允許建筑物自由振動[2]。

本文對基礎(chǔ)隔震和層間隔震的方案進行對比分析，比較了兩種方案的優(yōu)缺點。設(shè)計時選用的隔震支座有兩種，一種是鉛芯橡膠支座，一種是普通橡膠支座。

2.2 隔震支座的布置

隔震支座布置需要將柱下支座和剪力墻下支座相結(jié)合，每個柱子下面布置一個隔震支座，這樣受力更均勻，剪力墻通常布置在墻體兩端，這樣出現(xiàn)受拉的可能性最小[3]。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對于乙類建筑，支座的長期面壓應(yīng)保持在12 MPa以下，由此容易換算出支座所需要的最小直徑[4]。

根據(jù)上述隔震布置要求，本工程的隔震層采用圖2中的布置方案。

3 多遇地震下隔震結(jié)構(gòu)對比分析

3.1 地震波的選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010），應(yīng)選用不少于兩組的實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線[5]。

結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不僅取決于本身的動力特性，也取決于輸入地震波的特性，即地震動的頻譜特性、幅值和持續(xù)時間[6]。在滿足上述規(guī)范的要求下，本文選取兩條實際強震記錄波和一條人工模擬加速度時程曲線。

3.2 結(jié)構(gòu)的自振周期

下面對隔震模型和非隔震模型進行模態(tài)分析。在增加隔震支座前，原結(jié)構(gòu)的最大自振周期為1.539 s，在增加隔震支座后，結(jié)構(gòu)自振周期顯著地延長。

3.3 多遇地震作用下的樓層底部剪力

在多遇地震作用下，研究人員對結(jié)構(gòu)進行分析，得到結(jié)構(gòu)的樓層底部剪力，如圖3所示?？梢钥吹?，布置隔震支座后，結(jié)構(gòu)樓層的基底剪力明顯降低，其中基礎(chǔ)隔震效果最明顯，層間隔震效果次之。原結(jié)構(gòu)的最大樓層基底剪力達到8 432.2 kN，基礎(chǔ)隔震的最大樓層基底剪力為1 093.6 kN，層間隔震的樓層最大基底剪力為5 975.5 kN。基礎(chǔ)隔震樓層最大基底剪力僅為原結(jié)構(gòu)的13%，層間隔震樓層最大基底剪力也只有原結(jié)構(gòu)的70.9%。結(jié)構(gòu)布置支座能起到明顯的消能效果，其中在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)布置支座的消能效果比在結(jié)構(gòu)中間布置支座的消能效果更加明顯。

3.4 多遇地震作用下的層間位移角

在多遇地震作用下，下面對結(jié)構(gòu)的最大位移和結(jié)構(gòu)的樓層層間位移角進行分析，如圖4所示?？梢钥闯?，原結(jié)構(gòu)完全將隔震結(jié)構(gòu)的樓層最大層間位移角包絡(luò)住。其中，原結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為0.001 08，滿足相關(guān)規(guī)范要求的不超過0.001 25，布置隔震支座后，最大層間位移角明顯減小，其中，基礎(chǔ)隔震的最大層間位移角為0.000 76，層間隔震的最大層間位移角為0.001 01。基礎(chǔ)隔震的最大層間位移角僅為原結(jié)構(gòu)的70.4%，層間隔震的最大層間位移角為原結(jié)構(gòu)的93.5%。從整體來看，在多遇地震作用下，在框剪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)布置隔震支座的消能效果比在框剪結(jié)構(gòu)中間樓層布置隔震支座的消能效果更明顯，基礎(chǔ)隔震更加優(yōu)越。

4 罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)對比分析

4.1 罕遇地震作用下的樓層基底剪力

在對結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的分析后，按照相關(guān)規(guī)范要求，人們還要在罕遇地震作用下對結(jié)構(gòu)進行分析。在罕遇地震作用下對框架剪力墻結(jié)構(gòu)進行分析后，得到結(jié)構(gòu)的樓層基底剪力，如圖5所示?？梢钥吹?，與在多遇地震作用下的情況類似，在布置隔震支座后，結(jié)構(gòu)樓層的基底剪力得到更加顯著的降低，其中基礎(chǔ)隔震效果最明顯，層間隔震效果次之。在罕遇地震作用下，原結(jié)構(gòu)的最大樓層基底剪力達到145 496.9 kN，基礎(chǔ)隔震的最大樓層基底剪力僅為6 056.2 kN，層間隔震的樓層最大基底剪力為59 662.8 kN。基礎(chǔ)隔震樓層最大基底剪力僅為原結(jié)構(gòu)的4.2%，層間隔震樓層最大基底剪力也只有原結(jié)構(gòu)的41%。罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)布置隔震支座能起到更加明顯的消能效果。

4.2 罕遇地震作用下的層間位移角

下面在罕遇地震作用下對結(jié)構(gòu)的最大位移和結(jié)構(gòu)的樓層層間位移角進行分析，如圖6所示?？梢钥闯?，原結(jié)構(gòu)將隔震結(jié)構(gòu)的樓層最大層間位移角包絡(luò)得更加明顯。其中，原結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為0.017 79，不滿足規(guī)范要求的不超過0.01。在布置隔震支座后，最大層間位移角都得到了明顯的減小，其中，基礎(chǔ)隔震的最大層間位移角為0.001 37，滿足相關(guān)規(guī)范要求，且僅為原結(jié)構(gòu)的7.7%。層間隔震的最大層間位移角為0.006 28，滿足相關(guān)規(guī)范要求，只有原結(jié)構(gòu)的35%。盡管原結(jié)構(gòu)不滿足相關(guān)規(guī)范要求，但是給結(jié)構(gòu)布置隔震支座后，隔震結(jié)構(gòu)遠遠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文運用有限元軟件Etabs，針對框架剪力墻結(jié)構(gòu)，分析不同的隔震支座布置方式和原結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的特征。分析結(jié)果表明，相較于原結(jié)構(gòu)的地震作用，布置隔震支座后的結(jié)構(gòu)起到極好的消能效果，能很好地保證結(jié)構(gòu)安全。相比在結(jié)構(gòu)中間布置支座，在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)布置支座的消能效果更好。在罕遇地震作用下，原結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不滿足相關(guān)規(guī)范要求，但是給結(jié)構(gòu)布置隔震支座后，隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。

參考文獻：

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