废旧轮胎隔震框架结构的动力仿真分析

2016-09-14谌异潮唐天国

四川建筑 2016年4期

关键词：隔震剪力支座

谌异潮，唐天国

(四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065))

废旧轮胎隔震框架结构的动力仿真分析

谌异潮，唐天国

(四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065))

文章基于STP(Scrap Tire Pads 废旧轮胎隔震垫)隔震技术，采用大型有限元软件SAP2000对某村镇三层框架结构的抗震结构和隔震结构进行了动力时程分析，对比研究了两种结构在地震作用下的响应。结果表明：采用STP隔震垫的农村框架房屋模型地震反应显著小于非隔震框架房屋模型,STP隔震技术能够有效减少上部楼层层间剪力，能有效控制结构的内力和变形，提高结构抗震能力，具有良好的隔震效果。

框架结构；废旧轮胎隔震垫；仿真分析；乡镇建筑

我国是一个农业大国，大部分地区都是农村，这些村镇的建筑以低层廉价的砌体、砖混和框架结构居多，而我国是一个地震多发国，大部分高烈度地震区都分布在村镇地域。从2008年汶川地震、2010年玉树地震，到2013年的芦山地震所带来的震害来看，这类村镇建筑损坏都比较严重，因此，提高村镇建筑的抗震性能正是当务之急。在一系列建筑结构的工程抗震措施中，隔震技术因其概念简单、效果明显、性能稳定，已成为目前使用最为广泛的减震手段之一[1]。迄今为止，大部分隔震建筑使用的隔震支座均为叠层钢板橡胶支座。但这种工业产品造价高昂、施工技术要求较高，在中国广大村镇地区房屋建筑难以推广应用，而我国的乡镇隔震现状也证实了这种局限性。

相比于正规的橡胶支座，废旧轮胎垫(Scrap Tire Pads,以下均简称STP)造价低廉、制作简单、施工方便，还能使废旧轮胎得到消化利用，节约了堆放用地，避免了对环境的污染，具有较大的环保意义。我校从2009年开始对STP隔震系统进行了一系列实验，已获得了相关参数[2-3]。本文在此基础上，将STP支座应用于农村框架房屋建筑中，采用SAP2000软件对该隔震体系进行了动力数值分析，论证了该隔震体系的减震效果。

1　动力分析数值模型

1.1STP支座动力性能

在已完成的STP支座动力实验研究中，已经获得了相关参数，选取双向低周反复加载实验中得到的用东洋品牌轮胎制作的STP的参数为基础，该支座的尺寸为180 mm×200 mm×50 mm，设计面压为5 MPa，极限面压为10 MPa[2-3]。可得到该STP支座水平力双线性恢复力模型如图1所示，由图可得到该STP支座的等效水平刚度为636.4 kN/m,由相关公式[4]计算所得的等效粘滞阻尼比为0.169。

图1　STP支座水平力双线性恢复力模型

1.2农村框架住房的隔震结构设计要点1.2.1工程概况

某村镇抗震建筑为3层框架结构，平面尺寸为18.2 m×11.65 m，总建筑面积为212.03 m2，地上建筑的总高度为10 m，各层层高依次为3.4 m、3.3 m、3.3 m。结构梁板柱均采用C30混凝土现浇，内外墙采用页岩空心砖。该建筑场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第二组。该房屋标准层结构平面布置如图2所示。

图2　结构平面布置

1.2.2结构模型及隔震支座布置

本文使用大型建筑有限元分析软件SAP2000建立了该建筑的非隔震与隔震的结构分析模型，并对这两种模型进行了动力有限元分析。在仿真模型中，梁柱均采用框架线单元，楼板采用薄膜单元。隔震结构所使用的隔震支座，用SAP2000中提供的Rubber isolator单元模拟，考虑到每个支座要在重力荷载代表值作用下，其长期面压不超过5 MPa，以及支座尺寸大小的问题，经过试算后，拟将支座设计为380 mm×380 mm×50 mm，并将对应数据输入到该单元中进行分析。

对于隔震结构，该工程选取16组这样的隔震支座，参照GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[5]的要求，将支座布置在每根柱下，并增设一层隔震层，详细构造可参见03SG610-1《建筑结构隔震构造详图》[6]。传统抗震结构模型和隔震结构模型如图3、图4所示。

图3　抗震结构模型

图4　隔震结构模型

2　结构的地震响应分析

2.1地震波的选取

按《建筑抗震设计规范》5.1.2要求[5]，拟采用3条地震波。其中，实际强震记录2条(EL Centro波和Hollister波)，人工合成加速度时程曲线1条(人工波1，简写为Rgb1)。所采用的3条地震波对应的时程曲线如图5所示。3条地震波经过试算后，均满足《建筑抗震设计规范》5.1.2对计算所用时程曲线的要求。

2.2地震作用下结构反应对比

2.2.1模态分析对比

对传统抗震结构和STP隔震结构做模态分析，得出结构在非隔震和隔震两种情况下的自振周期(表1)。从表1中可以看出，由于隔震层的存在，大大延长了结构的自振周期，这样可以有效的避开场地的特征周期，从而大大降低了水平地震作用，上部结构的相应也随之降低。

2.2.2设防烈度下的计算分析

输入地震加速度峰值PGA为200 cm/s2，抗震设防烈度为8度中震时的工况，计算所得该建筑的非隔震结构和隔震结构各楼层最大加速度(表2)。从表2中可以看到，对于非隔震结构，加速度值由下往上会被不断放大，结构顶层的加速度值被放大到2.65至2.94倍，而隔震后的顶层加速度值最大仅为地面加速的0.85倍，约为非隔震结构的30 %，且隔震结构各楼层加速度由下到上变化相对较小，这可以使隔震后的结构从快速的、由下至上不放大的晃动变成较缓慢的近似整体水平运动，在地震中，这将使隔震结构内人们的震感大幅度降低。

图5　时程曲线

振型非隔震结构/s隔震结构/s周期延长率/%10.484411.02944112.520.478321.02764114.830.430150.92746115.640.144750.2804393.750.143310.2787294.5

表2　中震时各楼层最大加速度对比PGA=200 cm/s2

注：分别用Hollister-iso、EL Centro-iso、Rgb1-iso表示隔震结构在各地震波下的数值。

在计算隔震和非隔震结构在X向、Y向的层间剪力后，绘制剪力包络图(图6)。在设防地震下，隔震结构与非隔震结构的层间剪力比最大值为0.35，减震效果明显，这大大提高了结构的安全储备。如在相同工况下对结构进行设计，采用STP隔震技术的结构可以减少建筑材料的用量，从而提高经济效益。

(a)X向

(b)Y向图6　中震时X向、Y向剪力包络图PGA=200 cm/s2

2.2.3罕遇烈度下的计算分析

输入地震加速度峰值PGA为400 cm/s2，对结构作了大震下的弹塑性时程分析后，计算所得隔震和非隔震结构在X向、Y向的层间剪力包络图(图7)。在罕遇地震作用下，隔震结构与非隔震结构的层间剪力比的最大值为0.48，同样体现了良好的减震效果，保证了结构在大震下的安全。

另外，按照现行抗规对隔震支座的要求，在罕遇地震作用下，应对每个隔震支座的最大水平位移以及支座最大面压进行验算，考虑到本支座所用的材料是废旧橡胶轮胎，而现行规范的规定均是对叠层钢板橡胶支座提出的，所以在验算支座的最大水平位移限值和最大面压时，应以STP支座的性能来进行验算。在罕遇地震中，隔震结构的隔震层最大位移如表3所示，计算结果显示在EL Centro波作用下，隔震层的最大水平位移会略微超过支座的极限值。