隔震技術在底部大空間結構中的應用

隔震技術在底部大空間結構中的應用研究摘要：底部大開間上部中小開間房屋是一種應用廣泛的結構體系，該類結構的特點是，底層柔、上層剛，剛度的急劇變化使房屋在地震作用下的側(cè)移集中發(fā)生在底層，從而造成底層的嚴重破壞。本文根據(jù)該類結構特點，采用隔震技術，通過具體工程案例對不同隔震位置的隔震情況進行比較研究。文中結構模型選用質(zhì)點系剪切模型，隔震支座選用連續(xù)雙線性的BOUC-WEN模型，著重討論了基礎隔震和層間隔震的動力特性、隔震效果和地震反應變異性。分析表明，基礎隔震和層間隔震都可以使結構的地震反應得到了明顯地控制，結構設計時地震作用可以降低一度考慮，同時基本上消除了底部框架房屋上下剛度相差過大的影響。與基礎隔震相比，層間隔震雖然隔震效果稍遜，考慮到層間隔震不需在結構周邊設置防震縫，可大大簡化建筑構造處理，因此在一定情況下仍是很好的選擇。同時通過結構反應的波動分析，可知隔震結構的地震反應對地震波更加敏感，設計時應更加慎重。關鍵詞：底部框架結構、基礎隔震、層間隔震引言隨著城市化進程的加快，底框磚房結構由于其底部可實現(xiàn)大空間，建筑布置靈活，從而在沿街房中得到了廣泛的應用，該類結構的特點是，底層柔、上層剛，剛度的急劇變化使房屋在地震作用下的側(cè)移集中發(fā)生在底層，從而造成底層的嚴重破壞。為了防止軟弱底層因過多的變形集中而發(fā)生嚴重震害，不宜采用純框架結構。但是結構上的合理性往往會影響建筑物的使用功能要求，隔震技術的應用為緩和這種矛盾提供了可靠的途徑。文獻[1-3]對采用基礎隔震的類似結構進行了探討，取得了令人滿意的結果。但是基礎隔震必須在上部結構的周邊設置防震縫，使建筑結構的構造復雜。本文根據(jù)底框結構的特點，提出隔震裝置設置在底框和上部磚混之間，通過具體工程實例對不同隔震位置的隔震結構進行比較分析研究。工程概況圖1結構(a)平面(b)剖面該建筑物為一綜合樓，底層為框架結構，上部為磚混結構，共5層，Ⅱ類場地土、地震烈度為7度設防，平面布置及剖面如圖1。各層的重量為G1=4920KN，G2=G3=G4=4300KN，G5=2300KN，底層混凝土為C30，底層和上部墻體磚均為MU10，砂漿分別為M10及M5?；A隔震和層間隔震均選用課題組研制的具有自阻尼能力的鉛芯疊層橡膠支座ZD400（專利號：ZL982328834），其力學性能見表1，共計30個，規(guī)格相同，為減小地震作用時的扭轉(zhuǎn)效應，鉛芯疊層橡膠支座應均勻?qū)ΨQ地放置。圖1結構(a)平面(b)剖面表.1隔震支座力學性能型號設計承載力/kkN設計最大水平位位移/mm水平剛度/kN/mm豎向剛度/kN/mm等效阻尼比第一形狀系數(shù)第二形狀系數(shù)ZD40020002001.2851447.30.1720.25.29計算模型的選取2.1隔震裝置計算模型自阻尼疊層橡膠隔震系統(tǒng)的恢復力模型采用BOUC-WEN模型[4]，該模型采用一個改進的變量z來考慮恢復力的滯回分量，恢復力曲線如下（1）其中γ,β,A和n為滯回環(huán)的形狀參數(shù)，在本文中取γ=β=0.5,A=1,n=2，另外屈服前剛度k、屈服后剛度與屈服前的剛度比、屈服荷載Qy等均根據(jù)隔震支座的力學性能試驗確定。2.2隔震結構計算模型根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)中的有關規(guī)定，隔震結構采用串聯(lián)質(zhì)點系層間剪切模型如圖2，其中0代表隔震層。為描述方便，設非隔震結構為A，基礎隔震結構為B，層間隔震結構為C，對于基礎隔震結構底部增加一個質(zhì)點，對于層間隔震在中間增加一個質(zhì)點，層間剪切剛度為基礎隔震支座的水平剛度，各層質(zhì)點質(zhì)量采用集中質(zhì)量法計算。隔震結構的運動方程為（2）2.3地震波的選取地震波選用三條Ⅱ類場地土的實測地震波，分別為ELCENTRO、TAR-TARZANAOFNORTHRIDGEEARTHQUAKE和唐山地震北京飯店觀測點南北分量，在時程分析中根據(jù)需要的地震烈度對峰值進行調(diào)整。動力特性進行摸態(tài)分析，自振周期和各振型質(zhì)量參與系數(shù)如表2，振型如圖3，由此可知兩種隔震結構都延圖2計算模型圖3振型圖2計算模型圖3振型表2自振頻率和質(zhì)量參與系數(shù)A(非隔震結結構)B(基礎隔震震結構)C(層間隔震震結構)自振周期質(zhì)量參與系數(shù)自振周期質(zhì)量參與系數(shù)自振周期質(zhì)量參與系數(shù)振型Ⅰ0.20.952.0660.99981.850.81振型Ⅱ0.0660.0460.0980.0001220.0790.19時程反應分析為了比較兩種隔震位置不同結構的隔震效果，使用SAP2000通用計算程序[5]對A、B、C三種結構進行地震反應時程分析，采用如前所述的3條實測Ⅱ類場地土地震波，結構反應取平均值。在相當于地震烈度為7度的多遇地震（35cm/s2）和罕遇地震（220cm/s2）的加速度峰值作用下，結構0、1、3、5（0代表隔震層）層的最大加速度、最大速度、最大層間位移如表3，結構各層間剪力最大值如圖4。可見在相同的加速度幅值作用下，與非隔震結構A相比，基礎隔震B(yǎng)和層間隔震C都大大降低了層間剪力，多遇地震時，基礎隔震B(yǎng)與非隔震A的比值為0.26，層間隔震C與非隔震A的比值為0.36，罕遇地震時，基礎隔震B(yǎng)與非隔震A的比值為0.18，層間隔震C與非隔震A的比值為0.27，隔震效果隨輸入地震波幅值的增加而增加。基礎隔震B(yǎng)結構加速度、速度分布均勻，近似剛體運動，與非隔震結構A比較，加速度減小，速度增大，位移主要集中在隔震層，底層框架層的層間位移減小，在罕遇地震作用下接近非隔震結構A在多遇地震作用時的層間位移，可以認為處于彈性工作狀態(tài)。層間隔震C結構在隔震層以上加速度、速度變化規(guī)律同基礎隔震，隔震層以下由高頻振型控制，與非隔震結構A比較，加速度有放大的效果，速度有縮小的效果，位移仍主要集中在隔震層，底層框架層的層間位移在罕遇地震作用下接近非隔震結構A的多遇地震作用時的層間位移，可以認為處于彈性工作狀態(tài)。表.37度地震反應最大值類型樓層加速度/m//s2速度/m/s層間位移/mmmA12.937((0.4667)0.075((0.0112)2.604((0.4113)34.273((0.6779)0.124((0.022)0.773((0.1222)54.863((0.7772)0.142((0.0223)0.174((0.0227)B00.718((0.1665)0.278((0.0446)65.380(8.9948)10.723((0.1666)0.280((0.0447)0.467((0.1008)30.728((0.1667)0.281((0.0447)0.119((0.0227)50.730((0.1668)0.281((0.0447)0.025((0.0006)C13.31(00.5155)0.023((0.0004)0.697((0.1448)00.923((0.2110)0.299((0.0551)66.32((8.5882)30.917((0.2008)0.300((0.0552)0.152((0.0334)50.923((0.2114)0.301((0.0552)0.032((0.0008)注：括號內(nèi)為多遇地震的反應值圖4最大層間剪力(KN)(a)7度多遇地震(b)7度罕遇地震樓層樓層圖4最大層間剪力(KN)(a)7度多遇地震(b)7度罕遇地震樓層樓層表.48度地震反應最大值類型樓層加速度/m//s2速度/m/s層間位移/mmm層間剪力/kkNB01.3430.527129.69317411.3460.5300.870263231.3470.5320.220143851.3490.5330.040307C16.1210.0431.241377001.6950.577130.2300320031.6890.5790.280181151.7010.5800.060385在8度罕遇地震作用下，與非隔震結構A在7度罕遇地震作用下相比，基礎隔震B(yǎng)與非隔震A的結構底部最大剪力比值為0.33，層間隔震C與非隔震A的比值為0.48，地震作用減小50%以上，底部框架層間位移B為0.87mm，C為1.241mm，小于7度罕遇地震作用下的位移2.604mm，考慮到原結構按7度地震烈度設計滿足要求，故結構處于安全狀態(tài)。隔震層的層間位移分別為129.69mm、130.23mm，小于自阻尼鉛芯橡膠隔震支座ZD400型設計最大水平位移200mm，故隔震支座在8度地震烈度作用下也滿足要求。綜上所述，采用隔震后，兩種情況B和C均可滿足8度設防烈度的要求，即原結構可降低一度進行設計。地震反應的波動性在三種同場地土的地震波作用下，結構的反應有很大的波動，文中進行了變異性分析。非隔震結構A的變異系數(shù)最小，平均在0.1左右，基礎隔震B(yǎng)的變異系數(shù)約為0.36，層間隔震C隔震層以上部分的變異系數(shù)約為0.43，底部框架的變異系數(shù)約為0.24，這表明采用隔震措施后，結構反應對地震波更加敏感，尤其是層間隔震，因此隔震設計時必須選用與實際場地土接近的地震波，并應選用多條地震波。結論通過層間隔震、基礎隔震、非隔震底部大空間結構地震反應的比較研究，可以看出，采用隔震措施后，可以有效地減小地震作用，基本上消除了底部框架房屋上下剛度相差過大的影響，大大提高了結構的安全度。與基礎隔震相比，層間隔震雖然隔震效果稍遜，考慮到層間隔震不需在結構周邊設置防震縫，可大大簡化建筑構造處理，因此在一定情況下仍是很好的選擇。同時通過結構反應的波動分析，可知，隔震結構的地震反應對地震波更加敏感，設計時應更加慎重。參考文獻姚謙峰、王建強，咸陽市房地局基礎隔震綜合住宅樓地震反應分析[J]，工業(yè)建筑，2003,33(9):35-38魏德敏、康錦霞，基礎隔震底框磚房的三維地震響應分析[J]，工業(yè)建筑，2003,33(12):49-51關罡、李和平、葉萍，底層框架砌體建筑隔震控制研究[J]，世界地震工程，2003，19（2）：79-81W