隔振支座布置对多、高层框架结构抗震性能的影响

2016-10-24张磊吕航陈章彦毛捷

广东建材 2016年7期

关键词：铅芯层间剪力

张磊　　吕航　　陈章彦　　毛捷

（广州大学土木工程学院）

隔振支座布置对多、高层框架结构抗震性能的影响

张磊吕航陈章彦毛捷

（广州大学土木工程学院）

研究在相同数目的组合隔振支座不同的布置方案中结构的动力反应，寻找更优的隔振支座布置思路达到隔振支座更充分的使用。以6层和16层的框架结构为研究模型，使用ETABS分析对多遇地震下结构在4种不同隔振支座布置的时程分析。结果显示，在多层建筑中将铅芯橡胶支座布置在基础的外围能更好减少建筑的层间位移，而对层间剪力的影响很小。

框架结构；支座布置；时程分析

1　引言

唐山、汶川地震的深痛教训使我国的建筑设计人员深刻意识到建筑抗震的重要性，同时也促进隔震技术在国内的快速发展。较以往的抗震技术，新的隔震技术更经济而且有具有更好的减震效果［1］。目前国内新建的重要建筑和桥梁中很多已采用隔震技术。而在我国的隔振建筑中大多使用了隔振支座。赵大海［2］提出了不同的支座布置方案将对同一建筑产生不同的减震效果，如周云［3］指出支座的布置会影响隔振层的刚度中心从而进一步影响隔振效果。所以，为达到好的减震效果，隔振支座的优化布置很有必要。

本文采用有限元软件对结构相同的多、高层建筑采用不同的隔振支座布置进行动力分析，探讨更优的隔振支座布置思路。

2　结构概况

模拟结构为6层和16层的框架结构。隔振层层高1.6m，首层层高4.2m，标准层层高3.6m。其中钢筋混凝土梁柱使用的材料为C30混凝土和HPB300、HRB335钢筋。除首层柱截面尺寸为800mm×800mm，其余柱截面尺寸为700 mm×700mm。主梁截面尺寸为700 mm× 300mm，次梁截面尺寸为600 mm×300mm。各楼层平面布置相同，结构平面图见图1。

设计结构在8.5级地震下的反应，查抗震规范得结构特征周期为Tg=0.45s，周期折减系数取0.8，地震波的输入采用1条人工波、2条天然波和LUS波同时作用于X轴和Y轴的天然波组成。其中LUS-X+Y波作用于X轴的比例为1，作用于Y轴的比例为0.85，相反LUS-X+Y波作用于X轴的比例为0.85，作用于Y轴的比例为1。整个隔振层共设27个隔振支座，由11个叠层橡胶支座和16个铅芯橡胶支座组成。

图1　结构的平面图

铅芯橡胶支座采用型号为LRB700，竖向刚度为4148kN/mm，100%水平性能的等效水平刚度为2496kN/m，屈服后刚度为1380kN/m，屈服力为122.7kN。叠层橡胶支座采用型号为 LNR700，竖向刚度为3641kN/mm，100%水平性能的等效水平刚度为1350kN/m。

3　不同隔振支座布置下的效果分析

为比较隔振支座的不同布置方式对建筑的隔振效果的影响，共采用4种方案模拟不同的隔振支座布置方式，方案1将铅芯橡胶支座布置在基础外围，方案2和方案3分别将铅芯橡胶支座布置在基础的Y轴、X轴方向，方案4将铅芯橡胶支座布置在基础3个凸出位置。四种方案布置图见图2。

图2　隔振支座的布置

表1　结构的振动周期（6层）

表2　结构的振动周期（16层）

表3　多遇地震下X方向基底剪力（6层）

表4　多遇地震下Y方向基底剪力（6层）

3.1结构的振动周期

由表1和表2可以看出，在相同模态下不同的隔振支座布置方案对应的结构振动周期不同。其中方案1和方案4的震动周期小于方案2和方案3。相同情况下，结构的振动周期越大，建筑的隔振效果越好［4］。也就是说方案1和方案4的结构会吸收更多的地震能，会使基础的剪力比方案2和方案3的大。说明将铅芯橡胶支座布置在结构的基础外围会使结构吸收更多的地震能。

另外在相同的隔振支座布置下，在6层的建筑中隔振结构的周期比非隔振结构的周期大2.8～3.0倍。而在16层结构中隔振结构的周期比非隔振结构的周期大1.7～2.0倍。分析可知，建筑物越高自振周期越大，也就越远离场地卓越周期，同时利用隔振技术延长建筑的振动周期达到减震的效果就越弱［5］。说明在多层建筑中采用隔振减震会比高层建筑达到更好的减震效果。

表5　多遇地震下X方向基底剪力（16层）

表6　多遇地震下Y方向基底剪力（16层）

图3　多遇地震下结构的基底剪力

3.2多遇地震下结构基底剪力

由表3、表5和图3（a）、图3（c）观察可知当地震波作用在结构X方向时，基本上方案3的建筑基底最大剪力要比方案2的小；相反由表4、表6和图3（b）、图3（d）观察可知，当地震波作用在Y方向时，基本上方案2的建筑基底最大剪力要比方案3的小。分析可知，由于方案2的铅芯橡胶支座主要沿Y轴布置，结构在Y轴的铅芯橡胶支座多，相对基底剪力分配到Y方向就要小于分配到X方向。同理，方案3相对基底剪力分配到X方向就要小于分配到Y方向。

表7　多遇地震下X方向最大层间位移角（6层）

表8　多遇地震下Y方向最大层间位移角（6层）

表9　多遇地震下X方向最大层间位移角（16层）

表10　多遇地震下Y方向最大层间位移角（16层）

由表3、表4和表5、表6或图3（a）～（b）和图3（c）～（d）对比分析，可以观察得方案1和方案4的结构基底剪力比较接近，且方案1和方案4的基底剪力最大值较方案2和方案3的略大。在6层建筑中，他们的差值约0.5%，而在16层建筑中，他们的差值约1.5%。说明类似方案1和方案4将铅芯橡胶支座尽量布置在基础外围要比将铅芯橡胶支座布置在靠近基础中心产生更大的基底剪力，且这种效果在高层建筑中更明显。而在底层建筑中我们可以忽略不同隔振支座布置对基底剪力产生的差异。

3.3不同方案的最大层间位移

由表7～表10或图4可分析，即使在相同的隔振支座数目下，采用类似方案1将铅芯橡胶支座沿基础外围布置，会使建筑在地震作用下产生较小的层间位移角。

对比图4（a）和图4（b）可以看出，采用方案2和方案3将铅芯橡胶支座在单一方向时，结构受地震作用方向不同的影响相对较大，相反采用方案1将铅芯橡胶支座沿基础边缘均匀的布置时，结构受地震作用方向不同的影响很小。

而对于方案2和方案3受不同地震作用方向产生的层间位移角差异的原因分析可知，由于方案2的铅心橡胶支座沿Y轴布置较多，使得建筑在X轴方向刚度比Y轴方向刚度小，结构在Y方向更“柔”，从而观察表7～表10或图4可知，总体上方案2会使建筑在Y方向产生更小的层间位移角［6］。同理，在地震作用下，方案3使得建筑在X方向产生更小的层间位移角。

而地震作用方向是随机的，所以均匀地布置隔振支座会达到更加稳定的减震效果。