[分享]多层钢框架结构基础隔震动力时程分析
导读语:
基础隔震钢框架结构房屋是在上部结构底面和基础顶面之间设置水平刚度很小的隔震层,使结构的周期延长进而避开场地的卓越周期,水平位移集中到隔震层,并利用隔震层的较大阻尼来耗散地震能量。
基础隔震结构的有效性也被无数工程实例所证实。目前我国隔震结构主要是多层砌体结构和钢筋混凝土结构,而钢结构隔震建筑相对较少。故本文引用一多层钢框架结构的工程实例,采用有限元软件SAP2000对基础固定结构和基础隔震结构的地震反应进行动力时程分析,为基础隔震技术在多层和高层钢结构建筑中的应用提供一定的参考依据。
1工程概况
1.1结构概况
某纯钢框架结构实验楼的主体结构为地上五层,总高度为18.3m。平面布置规则,质量和刚度沿高度方向分布均匀。抗震设防类别为丙类(标准设防),设防烈度为8度(0.20g),地震分组为第一组,场地类别为III类,场地特征周期为Tg=0.45s,结构阻尼比ζ=0.04。
1.2隔震层布置
经设计,最终选用型号为GZY400的铅芯橡胶隔震支座,统一布置在各钢框架柱下,其形心和钢柱截面形心重合。限于篇幅,隔震支座平面布置图省略,隔震支座的几何参数和力学性能指标见表1。
表1 铅芯橡胶隔震支座几何参数和力学性能指标
支座 型号 | 支座有 效直径 (mm) | 内部橡 胶厚度 (mm) | 支座 总高度 (mm) | 剪切变形50% | 剪切变形100% | 剪切变形250% | |||
等效水平刚度 (kN/m) | 等效阻尼比 (%) | 等效水平刚度 (kN/m) | 等效阻尼比 (%) | 等效水平刚度 (kN/m) | 等效阻尼比 (%) | ||||
GZY400 | 400 | 68.6 | 162.6 | 2380 | 27 | 1720 | 24 | 1180 | 13 |
2计算和分析的理论方法
由于结构的变形特征为剪切型,根据规范,其地震作用计算模型可采用串联多质点层间剪切模型。计算方法一般采用时程分析法,按设计基本地震加速度输入进行计算。
基础隔震结构的动力分析模型可简化成多质点平动体系动力分析模型。
3地震波选取
根据规范要求,选取三条适用于III类场地的地震波,分别是:EL-CentroN.S.波(ELC-3波)、Karakyrpoint波(KAR-3波),兰州人工波(LAN-3波)。本实例仅取ELC-3地震波的计算结果进行分析。
4动力分析
利用大型有限元分析软件SAP2000建立多层钢框架房屋的基础固定结构和基础隔震结构的三维有限元分析模型,如下图所示。
4.1周期
本结构选取9个振型进行模态分析,隔震前后各阶振型的自振周期如表2所示。由表中数据可知,基础隔震结构的自振周期为基础固定结构的1.62~2.57倍,结构的自振周期显著延长。
表2 隔震前后各阶振型自振周期(s) | |||||||||
振型阶数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
隔震前T1 | 1.339 | 1.2147 | 1.0561 | 0.4098 | 0.3785 | 0.3322 | 0.2149 | 0.2045 | 0.1803 |
隔震后T2 | 3.251 | 3.0365 | 2.7159 | 0.8067 | 0.7276 | 0.6437 | 0.3568 | 0.3327 | 0.2922 |
周期T2/T1 | 2.427 | 2.4998 | 2.5716 | 1.9685 | 1.9223 | 1.9377 | 1.6603 | 1.6269 | 1.62063 |
4.2层间剪力
隔震和非隔震结构的层间剪力如表3所示。由表中数据可知:隔震结构的各层层间剪力均比非隔震结构的小。隔震结构与非隔震结构最大水平剪力的比值为0.330,上部结构的抗震设防烈度可适当降低。
表3 多遇地震时ELC-3地震波作用下的层间剪力 | ||||||
楼层号 | 非隔震结构(kN) | 隔震结构(kN) | 剪力比 | |||
X方向 | Y方向 | X方向 | Y方向 | X方向 | Y方向 | |
5 | 344.1 | 408.4 | 79.8 | 81.6 | 0.232 | 0.200 |
4 | 479.3 | 574.3 | 126.12 | 129.6 | 0.263 | 0.226 |
3 | 564.7 | 800.2 | 163.32 | 168.72 | 0.289 | 0.211 |
2 | 604.6 | 943.5 | 191.76 | 199.56 | 0.317 | 0.212 |
1 | 644.8 | 1005.1 | 213 | 222.84 | 0.330 | 0.222 |
4.3基底剪力
从表3可以看出,基础隔震结构的基底剪力仅为非隔震结构的33.0%(X向)和22.2%(Y向),远小于基础固定结构。
4.4位移反应
4.4.1多遇地震位移反应
在多遇地震作用下,基础固定结构和基础隔震结构X向、Y向的楼层水平位移的对比关系如图1所示,图中0层表示隔震层。从图中可以看出:
基础固定和基础隔震结构各楼层的水平位移都呈剪切型。但基础固定结构层间相对位移较大,顶层与底层水平位移相差19.52mm(X向)和40.48mm(Y向);而基础隔震结构层间相对位移非常小,顶层与底层水平位移仅仅相差4.51mm(X向)和4.13mm(Y向),上部结构几乎为整体平动。原因是基础隔震结构的隔震层发生了很大的位移,吸收了绝大部分地震能量,大大减小了上部结构的水平地震反应。
4.4.2罕遇地震隔震层的水平位移
根据《建筑抗震设计规范》12.2.6条,在8度罕遇地震作用下,考虑扭转作用时隔震层的最大水平位移为ui=1.15×138.64mm=159.39mm。隔震层的水平位移限值为[ui]=min{0.55×400,3.0×68.6}=205.8mm。故ui<[ui]。可见,隔震层在罕遇地震作用下的水平位移满足规范规定的位移限值。
4.5加速度反应
多遇地震ELC-3波的作用下,基础固定和基础隔震结构X向、Y向的各楼层加速度曲线如图2所示。
由图2可以明显看出:隔震和非隔震结构的底层加速度都接近于多遇时的地震加速度(0.7m/s2)。但基础固定结构各楼层的加速度自下而上逐步放大,顶层加速度是底层的2.50倍左右;而基础隔震结构各楼层的加速度基本保持不变,顶层加速度约为底层的1.1倍。隔震后,除底层外其他各层X向、Y向的加速度均大大降低,顶层的加速度仅为非隔震结构的53.31%(X向)和52.45%(Y向);
这也说明了:基础隔震结构的隔震层阻隔了地震能量向上部结构的传递,大大降低了上部结构的水平地震反应,使上部结构基本上作整体平动。
5结论
(1)基础隔震后多层钢框架结构的自振周期显著延长,是原结构的1.62~2.57倍。
(2)基础隔震多层钢框架结构的层间剪力和基底剪力仅为非隔震结构的13%~33%,上部结构可适当降低设防烈度,可节约上部结构材料。
(3)隔震之后多层钢框架结构的水平位移主要发生在隔震层,上部结构的位移模式为整体平动;在罕遇地震作用下,隔震层的水平位移应小于隔震支座的极限位移值。
(4)基础隔震后多层钢框架结构在地震作用下的加速度反应仅约为非隔震时的52.45%~53.31%,且各楼层的加速度自下而上基本保持不变。
故从结构对地震反应的角度来看,在多层钢框架房屋中运用基础隔震技术是有效的,基础隔震多层钢框架结构房屋可以在地震区广泛应用。