某工程底层柱顶隔震结构抗震性能评价

2015-12-21吴应雄

水利与建筑工程学报 2015年5期

吴应雄

(1.福建福大建筑设计有限公司，福建福州350002;2.福州大学土木工程学院，福建福州350108)

底层柱顶隔震是将隔震层设置在结构底层的柱顶，是层间隔震体系的一种主要应用形式，特别适用于底部柔弱结构[1]。目前，钢筋混凝土底层柱顶隔震技术已在我国的一些中小学教学楼和住宅等底层架空的建筑中应用[2－5]。由于底层柱顶隔震结构较基础隔震存在差异，受力更为复杂。马长飞等[6]进行了考虑P－Δ效应的底层柱顶隔震结构时程分析，结果表明，P－Δ效应显著增大下部结构的响应，工程设计应予重点考虑。杜永峰等[7]基于MSC.MARC的开发程序UACTIVE对串联隔震结构进行了有限元分析，研究认为:实际工程中独立柱抗侧刚度较大，位移较小，但在超大地震作用下，串联隔震结构极有可能因隔震支座位移过大失效而发生整体倒塌。吴应雄等[4－5]采用有限元软件 ETABS进行了几栋底层柱顶隔震结构的隔震设计和分析，研究表明_，上部结构的部分楼层在罕遇地震作用下超过弹性位移限值。

由以上文献研究成果可得，目前对底层柱顶隔震结构的抗震性能分析大多基于弹性计算结果，不考虑上部结构和下部结构在设防烈度罕遇地震作用下进入非弹性的情况。但底层柱顶隔震结构在罕遇地震作用下上部结构和下部结构均有可能进入弹塑性状态，《建筑结构抗震设计规范》[8](GB5001 －2010)以及《叠层橡胶支座隔震技术规程》[9](CECS126:2001)也提出了罕遇地震作用下隔震结构的层间弹塑性角位移限值以及其他相关验算内容。此外，弹塑性时程分析方法被认为是目前结构弹塑性分析最可靠和精确的方法，随着计算机水平的不断提高，其在工程实践的应用已逐渐实现并日趋成熟。基于此，本文对一栋已建成的钢筋混凝土底层柱顶隔震框架结构，同时考虑隔震层、上部结构和下部结构的非弹性状态，在有限元分析程序PERFORM－3D中建立分析模型，进行结构在设防烈度地震和罕遇地震作用下的地震响应和耗能分析，并依据现行规范和隔震结构抗震性能的研究成果对结构进行抗震性能评价。

1 工程概况和设计信息

1.1 工程概况

工程位于福建省泉州市，是一栋7层的员工宿舍楼，底层架空，2～7层为宿舍。抗震设防烈度为7度(0.15 g)，丙类建筑，所处场地类别为二类，特征周期为0.35 s，基本风压为 0.8 kN/m2。钢筋混凝土框架结构，采用隔震技术，隔震层位于底层柱顶，下部结构(底层)为框架柱带拉梁。工程按照《建筑结构抗震设计规范》[8](GB5001－2002)进行设计，2010竣工投入使用，工程概况参见文献[10]。

1.2 设计信息

结构经有限元软件ETABS计算，水平向减震系数为0.34。上部结构降半度即按7度(0.10 g)的设防烈度进行设计。隔震层采用直径分别为Φ500、Φ600和Φ700三种橡胶隔震支座，包括30个铅芯隔震支座(LRB)和24个普通隔震支座(LNR)。图1给出了隔震层平面布置，隔震支座力学性能参数和其他设计信息见文献[10]。

图1 隔震层平面布置图(单位:mm)

2 建立弹塑性分析模型

考虑隔震层、上部结构和下部结构的非弹性性质，采用有限元分析软件 PERFORM － 3D[11－12]进行建模。结构的三维有限元模型如图2所示。

图2 结构三维模型图

2.1 单元模拟

出于计算效率和分析精度的双重考虑，框架柱和框架梁分别采用纤维模型和塑性铰模型模拟。其中纤维模型截面划分直接依据国内结构分析软件SATWE的计算配筋结果;塑性铰采用弯矩－曲率模型，根据梁截面和配筋计算构件屈服以及达到承载力时对应的弯矩和曲率值[13]。普通隔震支座采用线弹性模型，水平向控制参数用等效刚度描述;而铅芯隔震支座采用双线型恢复力模型，水平向控制参数有屈服前刚度，屈服力和屈服后刚度。两种支座的竖直方向采用相同的拉压刚度。

2.2 混凝土和钢筋本构关系模拟

混凝土本构关系采用三折线模型，并考虑滞回过程中的强度退化[12]。其中约束混凝土单轴受压应力－应变曲线采用 Kent－Park模型[13]并依据文献[14]中的方法进行拟合得到折线模型。为方便建模，约束区的箍筋配置统一取为Φ8@100，这样的设置也与 SATWE软件大部分配箍相同。Kent－Park模型的应力应变关系如图3(a)所示。钢筋本构关系采用不考虑材料屈曲的两折线模型[12]，屈服后刚度取为0.01Es，钢筋应力应变曲线关系如图3(b)。混凝土和钢筋的材料强度均取为标准值。

图3 混凝土和钢筋的本构关系

2.3 地震波选取及输入

根据规范[8]对结构抗震设计计算选择地震波的要求，选用适合于Ⅱ类场地的实际强震记录 El Centro波和Taft波及根据场地地质条件生成的一组加速度时程曲线(人工波)。

地面运动输入采用加速度输入，考虑双向地震动，不考虑竖向地震动，结构X向和Y向按1∶0.85输入。用于设防烈度地震和罕遇地震时程分析的地面加速度峰值分别为150 cm/s2和310 cm/s2。

3 隔震结构的性能水准与设防性能目标

采用隔震技术具有良好的减震效果，可提高结构的可靠度以及设防目标。规范[9]规定了隔震结构的设防目标，即按规程设计并施工的隔震结构，小震作用下结构不损坏且不影响使用功能，中震作用下一般不需修理即可使用，而大震作用下不丧失使用功能或发生危及生命的破坏。此外，规范[8]和《建筑工程抗震性态设计通则》[15](CECS160:2004)(试行)均采用了提高性能设防目标的思想。目前，我国隔震结构一般采用与抗震结构一样的设防目标进行设计或按提高性能目标设计。

(1)性能水准划分

文献[16 －17]结合我国现行规范[8－9]，参考国内外性能水准的划分方法，考虑隔震结构的性能，将隔震结构的性能水准分为3个等级，其破坏情况描述及变形参考值见表1。

表1 隔震结构的性能水准

(2)设防性能目标

根据建筑物不同的重要性等级，提出3个层次的设防性能目标[16－17]:一般设防目标，强化设防目标和重点设防目标。其中，一般设防目标适用于丙类建筑，如一般的工业与民用建筑、公共建筑等。强化设防目标适用于乙类建筑，如医院、学校等。重点设防目标则适用于甲类建筑，如核武器储存室等。隔震结构的多层次设防目标、设防地震等与设防性能目标的关系见表2。

表2 隔震结构的设防性能目标

4 弹塑性时程分析

4.1 隔震层位移

表3给出了隔震层支座在设防烈度地震和罕遇地震作用下的最大位移。[u]为隔震层的水平位移限值，取0.55D(D为支座有效直径)和300%Tr(Tr为支座内部橡胶总厚度)两者中的最小值。从表中可以看出，结构在罕遇地震作用下的最大隔震层位移为137 mm(Y向，人工波)，为隔震层位移限值的50%。

表3 隔震层位移单位:mm

4.2 各楼层的层间位移角

图4和图5分别给出了结构在设防烈度地震和罕遇地震作用下 X向和 Y向各楼层(不包括隔震层)的层间位移角以及各阶性能水准对应的变形参考值。图中主体结构为7层，屋顶的楼、电梯间为8层。

图4 设防烈度地震作用下的层间位移角

图5 罕遇地震作用下的层间位移角

由图4可得，在设防烈度地震作用下，上部结构的最大层间位移角为1/507(Y向，人工波，2层)，小于1/450;底层最大层间位移角为1/3470，远小于弹性层间位移角限值。由图7可知，在罕遇地震作用下，上部结构最大层间位移角为1/207(Y向，人工波，2层)，介于1/150和1/300之间;底层最大层间位移角为1/2340(X向，人工波)，仍然有很大的安全富余。根据表1、表2可知，该底层柱顶隔震结构在设防烈度地震和罕遇地震作用下，结构的破坏程度分别处于基本完好和中等破坏，分别能够满足性能水准1和性能水准3，能够达到一般设防目标。

该实例结构在设防烈度地震和罕遇地震作用下底层层间位移角分别仅为1/3470和1/2340，远远小于1/550，这是因为下部结构设计最初除了考虑规范中的要求，即下部结构按罕遇内力进行设计外，同时还要考虑其支承的隔震支座的支墩尺寸，因此柱截面尺寸设置较大，即使在罕遇地震作用下结构的底层层间位移角也很小，而此时上部结构已发生一定程度的弹塑性变形。此外，从图中可以看出在地震作用较小时，隔震结构上部各层基本保持弹性，层间位移角大小沿楼层分布较均匀。而在罕遇地震作用下，结构的中部(尤其是与隔震层直接相连的2层)的层间位移角相对于结构顶部几层大很多。可以推断，在超大地震作用下，结构可能会发生2层或者中部几层首先形成屈服的情况。

4.3 耗能情况

图6～图8分别给出了三组地震波罕遇地震作用下结构的耗能分布情况以及隔震层对结构总非线性耗能的贡献情况(限于篇幅，仅给出结构X向的耗能情况)。图中纵坐标表示能量比重，横坐标代表时刻，曲线间所围面积为能量。其中，能量分布图由上向下分别表示结构对应时刻的动能、弹性应变能、模态耗能和总非线性耗能(包括塑性铰、纤维单元的材料以及隔震层滞回耗能)。隔震层耗能贡献图上部黑色、下部白色分别代表结构总非线性耗能和隔震层耗能。

从图6～图8的能量分布图可以看出，结构在地震波输入初始时的能量全是应变能，这是由结构重力荷载加载产生的;然后随着地震波的输入，逐渐出现动能，非线性耗能和阻尼耗能，最开始的非线性耗能全部来自隔震支座滞回耗能，随着加速度峰值进一步增大，上部结构部分进入弹塑性，参与非线性耗能;当地震波输入结束时，绝大多数能量都是模态阻尼和构件的滞回耗能(总非线性耗能)共同耗散，后者最大比重达58%(人工波)，最小比重达52.5%(El Centro波)。从隔震层耗能贡献图可以看出，对于结构的非线性耗能，在时程输入开始时的能量全是隔震层滞回耗能，这是由隔震层的铅芯支座产生屈服后变形耗散掉的，随着地面运动的输入，逐渐出现上部结构进入弹塑性产生非线性耗能。从这三条地震波输入的结构耗能情况来看，隔震层的滞回耗能占了非线性耗能的绝大部分，最大比重约为84%(El Centro波)，最小为68%(人工波)。而其他的非线性耗能大部分由上部结构梁端塑性铰承担，仅占所有非线性耗能较小的一部分。

图6 El Centro波作用下的耗能

图7 Taft波作用下的耗能

图8 人工波作用下的耗能

总体来说，该底层柱顶隔震结构能够很好地发挥结构隔震技术的优越性，实现结构在罕遇地震作用下通过隔震层滞回耗能耗散掉大部分地震能量，从而减小上部结构的响应和破坏，达到减震目的。此外，由于隔震层的滞回耗能能够消耗掉结构大部分能量，因此工程实际中提高上部结构隔震效果的最有效途径是优化隔震层布置以减小水平向减震系数。

5 结语

(1)弹塑性分析结果表明，该底层柱顶隔震结构在设防烈度地震和罕遇地震作用下的抗震能力分别能够达到性能1(基本弹性)和性能3(中等破坏)的要求。

(2)该底层柱顶隔震结构在罕遇地震作用下，结构中部的某几层层间位移角较顶部几层大很多，尤其是与隔震支座相连的2层，建议对这部分结构进行加强。

(3)罕遇地震作用下，下部结构层间位移角远小于上部几层的层间位移角和弹性层间位移角限值，虽然具有很大安全富余，但也造成一定的浪费。建议工程中的底层柱可以采用柱顶设支墩的变截面形式，这样既可以满足隔震支座的支承，同时减小底层柱截面尺寸，增大底层的建筑使用空间。

(4)该底层柱顶隔震结构在罕遇地震作用下，结构进入弹塑性的程度与地震波的频谱特性有直接关系，但总的来说上部结构进入非弹性程度并不深，隔震层的滞回耗能占结构总非线性耗能的最大比重达84%。说明该底层柱顶隔震结构能够很好地发挥结构隔震技术的优越性，实现结构在罕遇地震作用下由隔震层滞回耗能消耗大部分地震能量，从而减小上部结构响应。

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