基础隔震异形柱框架结构的参数优化

李秋英,刘丽丽,董宏伟

(河北工程大学土木工程学院,河北邯郸056038)

异形柱框架结构作为一种新型钢筋混凝土结构,在许多城市中得到广泛应用,具有良好的发展前景。然而由于截面不对称,异形柱受力特性、抗震性能不如普通矩形柱[1],当前的研究普遍采用暗柱异形柱、增设支撑以及限制轴压比等措施[2-5],不但增加了施工难度和工程造价,而且限制了结构的适用范围。

基础隔震是通过延长建筑物的基本周期及吸收地震波传递的能量,达到减小上部结构响应的目的[6]。目前将基础隔震技术用于异形柱框架结构的研究还比较少,东芳[7]采用有限元模型对基础隔震异形柱框架模型进行非线性时程分析,并得出基础隔震异形柱框架结构具有良好抗震性能的结论。本文通过建立隔震异形柱框架体系的三维非线性有限元分析模型,研究结构在不同地震波激励下的地震反应,并探讨叠层橡胶支座用于异形柱框架结构时参数的优化配置问题。

1 隔震体系的计算模型

1.1 隔震层力学模型[8]

由于上部结构的刚度远大于叠层橡胶隔震支座的水平刚度,将结构简化成一单质点的刚体,支座简化成变刚度弹簧和阻尼装置(图1)。

1.2 隔震层的双线性恢复力模型

在地震等动力荷载作用下,采用双线性恢复力模型简化柔性隔震层的滞回特性(图2)。其中:n—隔震层的塑性斜率;k1—隔震层屈服前的水平刚度;k2—隔震层屈服后的水平刚度;sy—隔震层的屈服力;δy—隔震层的屈服位移;δ0—隔震层运动速度由正到负或由负到正对应于x=0的弹塑性变形。该双线性恢复力模型由屈服力sy、水平刚度k1和k2三个参数确定,sy和δy可由试验数据或经验公式确定,其中k1=sy／δy,k2值根据最大恢复力和相应变形来确定。

1.3 隔震结构的动力方程

隔震系统可简化为层间剪切模型[9],根据达郎贝尔原理,n+1个质点的层间剪切模型的运动微分方程如下

式中[M]—系统的质量矩阵;[C]—系统的阻尼矩阵;[K]—系统的刚度矩阵系统对于地面的加速度向量;{˙x}—系统对于地面的速度向量;{x}—系统对于地面的位移向量;xg—地面输入加速度;{p}—各层的恢复力列向量。

mb—基础隔震层的质量,kb—基础隔震层的等效刚度,xb—基础隔震层相对于地面的位移,kn—第n层的层间刚度,mn—第n层的层间质量。

2 有限元模型及参数设置

根据平面布置图建立三维空间有限元模型(图3),并利用有限元分析软件对模型进行时程分析。抗震设防烈度为7度,设计基本加速度为0.1 g,设计地震分组为第二组,基本风压值为0.45kN／m2,建筑场地类别为Ⅱ类,结构楼层刚度、层高、质量、阻尼比等参数见表1。

表1 隔震异形柱框架结构主要参数Tab.1 The parameters of the special pole framework with base-isolated structure

地震波选用El Centro波(1940,NS)、天津波(宁河),这两条波相应的卓越周期分别是0.55s、0.3s,时程曲线如图4所示。

3 结果与分析

为考虑隔震系统的阻尼比对隔震效果的影响,采用固定上部结构的阻尼比,取ξ1=0.05,改变隔震系统的阻尼比ξ2(ξ2∈0～0.45),并输入两种不同的地震波,得到阻尼比对隔震层及上部结构顶部的位移、加速度峰值的影响曲线(图5)。由图5可知,结构顶层及隔震层的位移峰值随着阻尼比的增加而减小,结构顶层加速度峰值随着阻尼比的增大而减小。当ξ2＜0.23时,隔震层加速度峰值随着阻尼比的增大而减小,当ξ2＞0.23时,隔震层加速度峰值随着阻尼比的增大而增大,最小值出现在0.22到0.27之间。

水平剪切刚度是叠层橡胶支座的一个主要动力参数[10]。刚度过大,则不能有效地延长结构的自振周期和降低结构的加速度、位移;刚度过小,地震时造成的水平侧向位移将超过隔震支座的极限位移,使隔震支座出现倾覆破坏。通过调试不同的隔震层基本刚度,输入El-Centro波(1940,NS)、天津波(宁河),进行动力时程分析,得到刚度对隔震层及上部结构顶部的位移、加速度峰值的影响曲线(图6)。

由图6可知,结构顶层位移峰值随着刚度的增大而增大,隔震层位移峰值随着刚度的增大而迅速减小。结构顶层加速度峰值随着刚度的增大而增大,隔震层加速度峰值随着刚度的增大而增大。在设计隔震系统的时候,应先满足隔震层位移峰值的允许范围,再选择较小的刚度值。

4 结论

1)对于实际异形柱框架结构的抗震要求,可以通过优选隔震支座动力参数来完成。

2)在异形柱框架结构隔震层设计时,将阻尼比控制在0.22～0.27才能取得良好的隔震效果。

3)隔震层水平剪切刚度取值不能过小,在满足允许位移范围内,应适当降低刚度值。

[1]钱稼茹,李耕勤.异形柱用于8度抗震设防建筑研究[J].工业建筑,2004(2):28-32.

[2]曹万林,庞国新,魏文湘,等.增强异形柱框架结构地震耗能能力的研究[J].世界地震工程,1995(1):44-49.

[3]刘玉彬.异形柱空框架模型抗震性能试验研究[J].工程力学,1997(3):308-312.

[4]曹万林,徐金荣,宋文勇,等.钢筋混凝土异形柱框架结构抗震设计的若干措施[J].世界地震工程,2002,18(1):62-65.

[5]徐金荣,王普山,曹万林,等.异形柱框架薄弱部位抗震设计方法探讨[J].世界地震工程,2002,18(2):115-119.

[6]安新正,葛允海,别慧中,等.一种新的抗震技术--基础隔震技术[J].河北建筑科技学院学报,2002,19(3):20-23.

[7]东芳.基础隔震异形柱框架结构体系地震反应控制研究[D].北京:北京工业大学,2005.

[8]洪峰,王前信,江近仁.基底滑移隔震刚性结构的随机滑移反应和可靠度分析[J].地震工程与工程振动,1993,13(2):47-51.

[9]BERRAH M,KAUSEL E.A modal combination rule for spatially varying seismic motions[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1993,22(8):791-800.

[10]蓝宗建,邹宏德,梁书亭,等.钢筋混凝土巨型框架多功能减振结构地震反应分析[J].建筑结构学报,2001,22(4):77-83.