框架結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)之抗震性能分析

1、    框架結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)之抗震性能分析            作者：運(yùn)勝濤 陳亦仁時(shí)間：2009-7-27 16:07:00                     論文關(guān)鍵詞： 隔震  框架   有限元論文

2、摘要：本文借助于有限元軟件ETABS對(duì)唐山市一隔震設(shè)計(jì)的醫(yī)院住院樓進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，分析中采用了與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相對(duì)比的方案，分析結(jié)果表明隔震結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的周期，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減少，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)像剛體一樣，自身相對(duì)位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)。1.引言剛剛發(fā)生的汶川大地震奪去了我多少中華兒女的性命，其中絕大多數(shù)是因?yàn)榉课菘拐鹪O(shè)計(jì)不到位發(fā)生倒塌而引起的，筆者在原有抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)新的減震設(shè)計(jì)方案隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震是通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能像增強(qiáng)強(qiáng)度，剛度，延性來(lái)抵御地震作用的，即由結(jié)構(gòu)本身儲(chǔ)存和消耗地震能量，屬于被動(dòng)消極的抗震對(duì)策

3、。隔震設(shè)計(jì)是通過(guò)在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置形成隔震層，把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開(kāi)來(lái)，利用隔震裝置來(lái)隔離或耗散地震能量以避免或減少地震能量向上部傳輸，以減少建筑物的地震反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生輕微運(yùn)動(dòng)和變形，從而使建筑物在地震作用下不損壞或倒塌。目前國(guó)內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件還不能模擬隔震支座，所以這里采用ETABS對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)建模分析比較，結(jié)果表明隔震設(shè)計(jì)方案的抗震性能大大優(yōu)越與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)ETABS軟件具有強(qiáng)大的建模和分析功能，是從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的很好的分析軟件。2.工程分析案例2.1工程概況本工程為唐山市一醫(yī)院住院樓，地上八層，地下一層地下室層高2.4m，標(biāo)準(zhǔn)

4、層及頂層層高3.3m,類場(chǎng)地，屬乙類建筑，設(shè)防烈度為8度(0.2g)，設(shè)計(jì)地震分組為二組，抗震等級(jí)為二級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如下所示：                      圖（1）：標(biāo)準(zhǔn)層平面圖構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸：             柱：500×500

5、0;            梁：550×300             板：h=120   ETABS建模分析（1）建模時(shí)初步采用兩種方案首先建立無(wú)隔震支座的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方案如圖（2），梁柱板構(gòu)件均采用與實(shí)際工程對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化單元，即梁柱采用線單元，板采用殼單元，支座采用固支。建立相應(yīng)的分析模型。圖（）：方案一支座固定其次建立加隔震支座的消能

6、減震設(shè)計(jì)方案如圖（3），單元選用同方案（1），支座采用橡膠隔振支座。                       圖（3）：方案二基礎(chǔ)加隔振支座建模過(guò)程中單位取，為保證變行協(xié)調(diào)及合理的有限元分析對(duì)板進(jìn)行了邊界限制以及有限單元的網(wǎng)格劃分。其中，殼（SHELL）單元既具有彎曲能力，又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平

7、動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。而模擬梁柱的線單元是一種可用于承受拉,壓，彎，扭的單軸受力單元，這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度，x,y,z三個(gè)方向的線位移和繞x,y,z三個(gè)軸的角位移，。需要輸入的數(shù)值有截面尺寸，彈性模量，泊松比等。在地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的上部變形很小，所以梁柱和樓板均采用彈性分析，單元彈性模量輸入混凝土的彈性模量。（2）隔震支座的選型與布置    本方案采用基礎(chǔ)隔振，隔震層設(shè)置在建筑物的最下層，即基礎(chǔ)頂面。對(duì)于本案例每根框架柱下均施加隔震支座。隔震支座采用多層橡膠支座，該橡膠支座設(shè)計(jì)成與柱具有同等程度的豎向剛度 ，因此對(duì)于上下地震動(dòng)，隔震和抗

8、震建筑物具有相同的地震反應(yīng)。另一方面，對(duì)于水平地震動(dòng)，隔震層的水平剛度設(shè)計(jì)的較低一些，這樣會(huì)使隔震建筑的地震輸入大幅度降低。因?yàn)榻ㄖ锏膿p壞、內(nèi)部物體的移動(dòng)翻到，主要由于水平震動(dòng)、或水平與豎向震動(dòng)共同作用，因此即使在上下震動(dòng)很大的直下型地震時(shí)，與抗震建筑相比，隔震建筑的損壞也會(huì)較小。    在ETABS軟件中用滯回隔震器：isolator1來(lái)模擬橡膠隔震支座。這種連接單元對(duì)于兩個(gè)剪切變形有耦合的塑性屬性，且對(duì)其他4個(gè)變形有線性的有效剛度屬性。對(duì)每一個(gè)剪切變形自由度，可以獨(dú)立的指定線性或非線性的行為。對(duì)于軸向變形和3個(gè)彎曲變形，其屬性只能是線性屬性。本案中對(duì)此單元的

9、設(shè)計(jì)參數(shù)為：其屬性如下：U1方向，垂直（軸向）設(shè)為較大剛度=1.8x109N/m,有效阻尼為0；U2方向，（線性）有效剛度=1.6x106N/m,有效阻尼為0；（非線性）初始抗剪剛度=1.8x107N/m,剪屈強(qiáng)度=1.8x105N,屈服剛度初始剛度比=0.1；U3方向的設(shè)置同U2。    （3）地震反應(yīng)分析本案對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行時(shí)程分析，輸入 EI Centro NS 1940雙向（X，Y）地震波，持續(xù)時(shí)間為30s，根據(jù)規(guī)范要求時(shí)程分析時(shí)要對(duì)地面加速度峰值需要調(diào)整比例系數(shù)。因?yàn)檫x用地震記錄時(shí)要注意使其加速度峰值與抗震規(guī)范中基本烈度的相應(yīng)值協(xié)調(diào)。根據(jù)本地區(qū)處

10、于8度區(qū)，地震基本加速度為0.2g,而選擇的地震波的峰值為341.7cm/s2,為利用該地震波的波形需進(jìn)行規(guī)一化，既用EI Centrol 波的最大值除以全地震波，再乘以本題的峰值，其比例系數(shù)計(jì)算式為：8度基本： =  8度罕遇： = 注：在定義時(shí)程工況時(shí)軟件讀取時(shí)程函數(shù)EI Centro波時(shí)以記事本讀入，單位默認(rèn)以軟件通用單位同，所以這里要以軟件開(kāi)始設(shè)置統(tǒng)一，都以mm為準(zhǔn)。2.3分析結(jié)果對(duì)兩種方案分析結(jié)果逐一比較，比較結(jié)果如下：1周期比較            &

11、#160;          方案一與方案二的自振周期比較                      單位：s        振  型方  案一     

12、60;          二      三      四方案一  0.8714 0.7599   0.6698    0.2845方案二  1.8407   1.5078   1.4577   0.4234對(duì)比分析結(jié)果表明采用隔震設(shè)計(jì)較抗震設(shè)計(jì)自振周期有較大幅度延長(zhǎng)，且均延長(zhǎng)一倍

13、左右，這使得建筑物的自振周期得以避開(kāi)地震波的卓越周期（0.111s），避免了共振引起的震害。2樓層位移對(duì)比                                  圖（4）：樓層位移對(duì)比圖由各樓層位移對(duì)比圖（4）可看出采用基礎(chǔ)隔震的建筑總體位移要大于基礎(chǔ)固結(jié)的建筑，隨著

14、高度的降低二者的位移差別越大，特別指出基礎(chǔ)固結(jié)首層側(cè)移接近零而基礎(chǔ)隔震首層側(cè)移超過(guò)了0.4m?？梢钥闯霾捎没A(chǔ)隔震的建筑其側(cè)移主要發(fā)生在首層。3 層間位移對(duì)比                              圖（5）：層間位移角對(duì)比圖    由層間位移角對(duì)比圖

15、（5）可以看出在8度中震作用下，基礎(chǔ)隔震建筑的層間位移角要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)固結(jié)建筑層間位移角。而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的值。即使在8度罕遇大震作用下隔震建筑的層間位移角也小于8度中震作用下基礎(chǔ)固結(jié)建筑的層間位移角，這樣就把大震的作用效應(yīng)變成了中震的作用效應(yīng)。由圖還可看出基礎(chǔ)隔震建筑的層間位移角較大值主要出現(xiàn)在首層，上部各層變化不大，從而得出基礎(chǔ)隔震建筑在地震作用下其側(cè)移主要發(fā)生在首層，上部結(jié)構(gòu)層間側(cè)移很小，像一個(gè)剛體一樣整體平動(dòng)。這樣就大大減少了地震作用效應(yīng)。3.結(jié)論1）用ETABS具有強(qiáng)大的建模分析功能，可以很好的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，效果能很好的體現(xiàn)。2）采用隔震設(shè)計(jì)較抗震設(shè)計(jì)自振周期有較大幅度延長(zhǎng)，使得建筑物的自振周期得以避開(kāi)地震波的卓越