三维多层框架隔震结构响应分析

邢义锋　欧阳巧琳　曾祥国

[摘要]对某多层框架隔震结构采用三维有限元模型进行非线性时程分析，分析该结构在地震作用下的动力特性和地震反应性能，并与未经隔震情况进行比较，分析表明：框多层架结构经隔振设计后的响应明显低于相应抗震结构的地震响应，隔振设计引起的工程效果明显。采用有限元法能够全面、准确地反映隔震结构的地震反应性能。

[关键词]框架结构基础隔震响应非线性时程分析

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：1671－7597(2009)0210113－01

一、引言

地球每年平均发生500万次左右的地震，其中造成灾害的地震每年发生十多次[1]。为了减轻建筑的地震破坏，避免人身伤亡，减少经济损失，土木工程师技术人员必须对建筑工程进行抗震分析和抗震设计[2]。传统抗震设计是利用结构的强度和结构构件的塑性变形能力抵抗外来的地震力，主要采取加强建筑物的建筑结构的整体性，增强空间刚度，提高建筑材料的强度，延性等措施。工程结构隔震减震技术是目前工程研究和应用的热点之一[3]，比较成熟的是夹层橡胶垫基础隔震技术，主要是通过在房屋底部和基础顶面之间设置水平刚度远小于上部结构层间刚度的夹层橡胶垫隔震装置，使得整个结构体系地震时的自振周期变长，过滤掉地震波中破坏作用较大的中高频成分，降低上部结构地震反应，确保房屋结构和生命财产的安全[4]。本文采用ANSYS有限元分析软件，对某5层钢筋混凝土框架隔震结构，采用三维有限元模型进行了水平地震作用下的非线性时程分析，验证了隔震结构的有效性和安全性，并与未隔震情况做比较。

二、结构计算模型

1．绘制结构的实体模型，如图1，图2所示，图中单位为mm。主梁截面尺寸：250×600，次梁截面尺寸：250×400，均采用C20混凝土，框架柱截面尺寸：550×550，采用C25混凝土，楼板板厚100，采用C20混凝土。夹层橡胶垫的水平刚度1.52E＋6(KN/mm)，阻尼系数9.6 E＋4(KNS/mm)，阻尼比为0.13。布置在柱子下部与基础顶面之间。在分析中，梁和柱均采用SOLIDl86单元，隔震支座采用Combin14单元。

2．在进行非线性时程分析时，考虑到空间整体结构性能，采用完全法进行模态分析，该方法采用完整的系统矩阵计算。使得分析效果非常好[5]。

三、结构特性以及地震波

1．未经隔震设计时结构的自振周期为T1＝0.536s，经隔震设计后自振周期变为T2＝1.82s。隔震结构的基频明显小于抗震结构，自振周期显著变长，[6]这对于降低上部结构的地震反应是有利的。

2．动力时程分析时输入的地震记录为IMPERIAL VALLEY EARTHQUAKE-ELCENTRO地震波，加速度峰值为2.82＝/s²，相当于8度罕见地震，选取整个时间历程为7.5s，时间步距为0.02s，如图3所示。

罕遇地震作用下，计算框架结构在隔震和未隔震情况动态响应问题，位移时程反应曲线如图4所示，速度时程反应曲线如图5所示。从图4可知，在地震作用下未隔震位移响应的最大值为11.5，隔震处理后位移响应最大值为3.4，隔震结构的位移要比未做隔震处理时小的多，减振效果非常明显，从图5可知，在地震作用下隔震结构的速度要比未做隔震处理时小的多，减振效果非常明显。其主要原因是在罕遇地震作用下，夹层橡胶垫驱使得整个结构体系地震时的自振周期变长，过滤掉地震波中破坏作用较大的中高频成分，相应大大降低了上部结构的地震反应。

五、结束语

本文采用三维有限元模型对某5层钢筋混凝土框架隔震结构进行了非线性时程分析，分析结果表明：隔震结构能够显著降低上部结构的地震反应，该隔震结构按设防烈度降低1度水平的抗震结构进行结构设计是偏于保守的；采用三维杆系有限元模型能够更全面、准确地反映隔震结构的地震反应性能，分析得出的结构构件的内力结果可以直接用于工程设计。因此，与传统隔震结构设计方法相比，有限元分析方法具有较大的优越性，在隔震结构设计中推广和应用有限元分析方法对提高结构设计准确性、降低结构构件的配筋、方便施工、降低工程造价等方面具有重要的现实意义。