基于SAP2000的多层框架教学楼隔震分析

袁 野

(同济大学土木工程学院，上海 200092)



基于SAP2000的多层框架教学楼隔震分析

袁 野

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

以某钢筋混凝土多层框架结构教学楼工程为例，采用有限元软件SAP2000，对隔震结构和非隔震结构进行模态和时程分析，并对两种结构的分析结果进行了对比，结果表明，结构布置隔震支座后，可以有效延长结构自振周期，减小层间剪力和位移。

框架结构，隔震结构，铅芯橡胶支座，时程分析

0 引言

地震是一种突发性、毁灭性的自然灾害，它对人类的生命和财产构成非常严重的威胁，一次突发性的大地震可使整个城市在短时间之内变成一片废墟[1]。地震还可能会引发火灾、海啸和瘟疫等次生灾害。我国是世界上多震害国家之一，从地震分布特征看，我国处于世界两大地震构造系的交汇部位[2]。随着科学技术的发展，人们对于地震带来的安全问题越来越重视，我国学者也在这方面做了很多的研究。在传统的抗震研究中，所采取的抗震方法主要是消极地对建筑结构采取加强的措施，体现在“抗”震上，依靠结构自身的承载能力、变形能力和耗能能力来抵抗地震作用。近年来各国学者对于抗震研究有了新的想法，致力于减小结构中地震能量的输入，减小结构的地震响应，从而达到保护结构的目的。

本文以一个钢筋混凝土多层框架教学楼结构为背景，根据规范以及相关手册[3,4]的要求，为该结构体系设计隔震支座体系，并用大型有限元软件SAP2000对该隔震结构进行分析。通过与非隔震结构进行对比分析得出隔震结构的隔震效果，为类似工程结构提供参考。

1 模型概况及SAP2000建模

1.1 工程概况

本文中工程为一栋钢筋混凝土多层框架教学楼结构，共6层，建筑总高度22.95 m(不包括基础埋深)。采用7度半的抗震设防烈度，属于重点设防类建筑，所属场地分类为Ⅳ类，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值0.15g。整个框架结构均采用C30混凝土。考虑到建筑设计可行性及性价比等因素，采用隔震技术，减小房屋的地震作用。

1.2 SAP2000建模

用有限元分析软件SAP2000对该框架结构进行建模，三维模型如图1所示。节点总数542个，框架单元1 028个，面单元282个，连接单元40个。结构长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，竖向为Z轴。

1.3 输入地震荷载

本文地震输入采用设计院提供的天然地震波，地震持续时间60 s，设置3 000个时间步。

地震荷载加速度时程如图2所示。

2 隔震支座选择及布置

为达到隔震目的，需要通过在支座处设置隔震装置，延长结构自振周期从而减小地震作用。依据结构在自重及荷载作用下底层支座轴力，选取隔震支座，将隔震层设置在基础顶面，布置隔震支座，并在X向和Y向设置阻尼器，以增加结构初始刚度，限制水平位移。本文中选择的全是铅芯橡胶支座，其性能参数及数量如表1所示，布置如图3所示。

表1 隔震支座的技术参数

3 SAP2000有限元分析结果

3.1 模态分析结果

对未布置隔震支座的结构和布置隔震支座的结构分别进行模态分析，得到两个模型的一阶、二阶和三阶振动周期如表2所示。由表2数据可知，在布置隔震支座后，结构的振动周期明显延长，成功避开了场地卓越周期，避免了共振的发生，从而有效地减小了结构的地震响应。

表2 隔震与非隔震结构周期对比 s

3.2 隔震结构与非隔震结构时程分析的层间剪力对比分析

对隔震结构和非隔震结构在相应地震荷载作用下进行时程分析，得到两个结构在Y向的层间剪力值如表3所示，其变化曲线如图4所示。

表3 隔震与非隔震结构Y向层间剪力对比 kN

由图4可知，在布置隔震支座后，层间剪力显著减小，隔震结构的地震响应显著减小。

3.3 隔震结构与非隔震结构时程分析的层间位移和层间转角对比分析

对隔震结构和非隔震结构在相应地震荷载作用下进行时程分析，得到两个结构分别在X向和Y向的层间位移和转角如表4和表5所示，相应对比分析曲线如图5和图6所示。

表4 隔震与非隔震结构X向层间位移和转角

位置层高/mX向非隔震结构隔震结构层间位移/m层间位移角层间位移/m层间位移角14.05.711×10-41.428×10-45.480×10-41.370×10-423.79.084×10-42.455×10-45.373×10-41.452×10-433.77.272×10-41.965×10-46.522×10-41.763×10-443.74.637×10-41.253×10-46.520×10-41.762×10-453.71.758×10-44.751×10-55.488×10-51.483×10-564.157.160×10-51.725×10-54.669×10-51.125×10-5

表5 隔震与非隔震结构Y向层间位移和转角

由层间位移及转角的对比分析可知，隔震结构的层间位移和层间转角较非隔震结构明显减小，说明隔震结构的地震响应显著减小，从而也可说明对于铅芯橡胶支座，在支座布置合理的情况下，可以有效地起到隔震作用。

4 结语

本文对一个钢筋混凝土多层框架教学楼结构布置了隔震支座，并用有限元软件SAP2000对非隔震和隔震结构进行模态和时程分析。从分析结果可知，在合理布置隔震支座后，结构的振动周期明显增大，层间剪力、位移和转角明显减小，说明布置隔震支座后使得结构避开了场地卓越周期，避免了结构共振的发生，有效地减小结构的地震响应。本文中选用的是铅芯橡胶支座，从隔震效果可以看出，铅芯橡胶支座对于结构具有很好的隔震效果。

[1] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[2] 李国强，李 杰.地震工程学导论[M].北京:地震出版社,1992:1-348.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[4] 党 育，杜永峰，李 慧.基础隔震结构设计及施工指南[M].北京:中国水利水电出版社，知识产权出版社,2007:1-258.

[5] 龚 健，周 云，邓雪松.某摩擦摆隔震框架结构地震反应分析[J].土木工程学报,2012,45(S2):146-150.

The earthquake isolation analysis of multi-story frame teaching building based on SAP2000

Yuan Ye

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the teaching building engineering with steel reinforced concrete multi-layer framwork structure as an example, the mode and time-history analysis were carried out for isolated and non-isolated structures based on SAP2000. Through the comparative analysis about the results of the two structures, the results show that: when the structure was arranged isolation bearings, the structure natural vibration periods was effectively extended, the interlayer shear force and displacement were decreased.

frame structure, isolated structure, lead rubber bearing, time-history analysis

1009-6825(2016)24-0031-02

2016-06-13

袁 野(1989- )，男，在读硕士

TU352

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