大型框架隔振结构地震响应分析

孙东奇

（辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新123000）

中国位于环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位，地震断裂带较多，发育比较完全。中国大陆的地震相当于世界大陆地震的1／3，地震活动频度高、强度大、分布广，是一个受地震影响比较严重的国家。新中国成立至今60多年来，中国共有22个省（自治区、直辖市），其中涉及东部地区14个省份经历了100多次地震，由地震所带来的伤害占全国各类灾害死亡人数的54%，所带来的受灾面积有30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。特别是在2008年5.12汶川地震中由于房屋垮塌导致大量人员伤亡与财产损失。据统计中国大陆地震占全球陆地地震的1／3，但是由地震带来的人员伤害竟然达到世界总伤害的1／2以上，造成该结果的主要原因是地震引起的破坏烈度超过了震区的抗震设防烈度，导致大量的建筑破坏倒塌。随着经济的发展，政府与居民防震减灾意识的不断提高，迫切需要防震减灾性能更好的建筑来保护生命减少财产损失。

1 大型框架隔振结构模态分析

框架结构是以梁和柱组成的承重结构，梁柱的连接方式有2种：铰接或者刚接。框架结构在实际工作中，通过梁和柱组成的框架来承担出现的水平载荷和竖向载荷，而结构的墙体仅其维护和分割作用，不承重。

框架结构根据功能和特点分以下几类：

按跨数分：单跨结构、多跨结构；

按层数分：单层结构、多层结构。

按立面份：对称结构、不对称结构。

按所用的材料分：混凝土框架结构、钢框架结构、胶合木框架接结构、钢与钢筋混凝土混合框架结构。

生产实际中，最常用的2种框架结构是钢框架结构和混凝土框架结构。混凝土框架主要用于跨度比较大的结构，比如学校、住宅楼等。刚框架结构主要用于大跨度的结构，比如购物商场、火车站等。本文以钢框架为例探讨钢架结构的隔振性能。

框架结构主要有梁和柱来承担载荷，相比其他承重结构，有其优缺点。对于设计工作者来说，要合理掌握其优缺点，使其能更好的发挥自身性能，扬长避短，更好地为社会服务。

框架结构的优点：

1）空间分隔灵活。

2）自重轻，节省材料。

3）便于装配，施工方便。

4）可以节省工期。

框架结构的缺点：

1）框架结构的梁柱装配而成，属于柔性框架，地震容易造成非结构的破坏。

2）框架结构施工受季节、环境影响较大。

3）框架结构不适宜于高层建筑。一般适用于不超过15层的建筑。

目前，国内大多数结构均为框架结构，在地震作用下造成的非结构破坏比较多，如何保证框架结构的抗震性能是目前研究所关注的主要问题。叠层橡胶减震支座由于其独特的减震特性，近年来在框架结构得到越来越多的应用。本文以1栋8层的框架结构为例探讨研究叠层橡胶减震支座的应用。

1.1 工程概况

采用的模型为华联购物商厦钢框架结构，层数为8层，层高4m，总高32m。框架结构总长6×8m＝48m。框架结构总宽3×8m＝24m。钢框架柱为矩形横截面，尺寸为500mm×500mm。钢框架结构外环梁尺寸为300mm×500mm，内环梁尺寸为250mm×500mm。楼板厚度为200mm。由于框架结构的外墙只承担维护作用，故建模不考虑墙体模型，仅建立梁、柱和楼板的模型。框架结构实体模型见图1框架有限元模型示意图。

本框架结构处于Ⅲ类场地，抗震设防烈度为7度，抗震等级为Ⅰ级，设计使用年限为100a。钢材料选Q235钢，杨氏模量为2×1011N／m2，泊松比为0.3，密度为7 850kg／m3。楼板的混凝土强度等级为C30，弹性模量为3.0×1010N／m2，泊松比为0.2，密度为2 500kg／m3。

1.2 框架结构有限元模型建立

框架结构柱、梁的横截面尺寸与其长度的比值符合梁的特性，故框架柱、外环梁和内环梁采用Beam188进行模拟。分别给定梁横截面的属性以及相应的材料属性。梁柱有限元模型见图2梁单元模型示意图。楼板厚度相比其长度和宽度较小，符合壳单元的特性。楼板建模采用壳模拟，选择Shell181，给定楼板的厚度以及相应的材料属性。楼板有限元模型见图3壳单元模型示意图。

图1 框架结构有限元模型示意图

图2 梁单元模型示意图

1.3 梁柱连接方式

钢框架结构梁柱的连接方式有2种：刚接和铰接。本案例模型适用于刚接。

柱和梁均采用梁单元模拟，其节点拥有相同的自由度，都为6个自由度，故其在交接处节点自由度匹配。刚接即代表交接处的节点所有自由度都相同。借助ANSYS软件里面的合并节点的操作，对梁和柱的节点进行合并。合并节点后的有限元模型见图4刚接有限元模型。

图3 壳单元模型示意图

图4 刚接有限元模型

2 大型框架隔振结构地震响应分析

2.1 地震谱的选取

华联购物商厦处于Ⅲ类场地，抗震设防烈度为7度，抗震等级为Ⅰ级，设计使用年限为100a。参考《建筑抗震设计规范》选取地震响应计算公式如下，地震频谱表如表1所示。

表1 地震频谱表

2.2 地震波的选取

以“中国天津地震竖向记录”为例说明地震波的计算。天津地震波为竖向加速度波，记录时长为5s，时间间隔为0.01s，计算时每隔0.1s取一个值。地震波中所选取的数值无法直接用于计算，必须对其做相应的处理才可用于分析。

结构设计烈度为7度，根据国家地震局批准的烈度表可知，最大水平加速度为0.125 g，而天津波实测的最大加速度为，因此必须对其做相应折算才能用于实际的计算。对于7级地震一般选取av＝a／2，故天津地震波的记录值需要乘以，处理后的地震波见表2地震波输入值和图5地震波与时间关系图。

表2 地震波输入值

续表2

图5 地震波与时间关系图

2.3 钢框架地震响应分析

要研究结构在随时间变化的地震载荷作用下各个点的振动响应，因此选取地震波进行计算。计算时采用瞬态动力学进行分析。

瞬态动力学求解有完全法、模态叠加法和缩减法3种计算方法。完全法采用完整的矩阵进行计算，可以考虑结构非线性。缩减法和模态叠加法相比完全法计算效率较高，缩减法是以主自由度和缩减矩阵进行求解，模态叠加法是基于模态求解的基础上进行的分析。本文模型规模不是很大，故采用瞬态动力学完全法进行求解。

所采用的模型与模态分析一致，输入的地震波曲线见图5。分别计算结构在考虑减震和不考虑减震的情况下，框架顶端位移、顶层加速度和基地剪力随时间的变化情况。

水平地震加速度情况下顶层X方向位移响应曲线和加速度响应曲线见图6～7。

图6 顶层位移响应曲线对比图

图7 顶层加速度响应曲线对比图

竖向地震加速度情况下顶层Y方向位移响应曲线和加速度响应曲线见图8～9。

图8 顶层位移响应曲线对比图

从图6～9结果对比可知：

图9 顶层加速度响应曲线对比图

1）在水平地震作用下，未考虑隔振和考虑隔振的顶层X方向位移响应曲线和加速度响应曲线与水平地震波曲线趋势基本一致。

2）水平地震作用下，考虑隔振的顶层X方向位移最大值较未考虑隔振最大值大，说明采用叠层橡胶支座对于结构的抗震有利。

3）水平地震作用下，考虑隔振的顶层X方向加速度最大值相比未考虑隔振最大值大，说明采用叠层橡胶支座后在地震作用情况下，结构能够承受更大的加速度的冲击。

4）在竖向地震作用下，未考虑隔振和考虑隔振的顶层Y方向位移响应曲线和加速度响应曲线与竖向地震波曲线趋势基本一致。

5）竖向地震作用下，考虑隔振的顶层Y方向位移最大值较未考虑隔振最大值大，说明采用叠层橡胶支座对于结构的抗震有利。

6）竖向地震作用下，考虑隔振的顶层Y方向加速度最大值相比未考虑隔振最大值大，说明采用叠层橡胶支座后在地震作用情况下，结构能够承受更大的加速度的冲击。

7）通过研究水平地震波和竖向地震波下结构的位移响应和加速度响应可知，采用叠层橡胶支座后结构的各项性能较未考虑隔振有明显提高。

3 结 论

为了研究叠层橡胶支座的抗震特性，本文以华联购物商厦为例，分别进行了模态分析和地震响应分析。通过分析得到以下结论：

1）采用叠层橡胶支座后，结构的固有频率相比未考虑隔振的频率要低。

2）同阶阵型情况下，框架结构的振动趋势基本一致。考虑叠层橡胶支座的框架结构整体都有振动特性，未考虑隔振的结构底部振动不如采用隔振后的结构明显，这与理论一致。

3）在水平地震作用下，未考虑隔振和考虑隔振的顶层X方向位移响应曲线和加速度响应曲线与水平地震波曲线趋势基本一致。考虑隔振X方向位移最大响应和最大加速度相比未考虑隔振要大。

4）在竖向地震作用下，未考虑隔振和考虑隔振的顶层Y方向位移响应曲线和加速度响应曲线与竖向地震波曲线趋势基本一致。考虑隔振Y方向位移最大响应和最大加速度相比未考虑隔振要大。

5）通过对华联商厦框架结构动力特性分析可知，采用叠层橡胶支座后结构的各项性能较未考虑隔振有明显提高，验证了叠层橡胶支座的隔振效果，对于工程实践有理论的指导意义。

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