基于ANSYS的框架结构基础隔震分析

2018-04-02

福建质量管理 2018年21期

(新疆大学新疆乌鲁木齐 830047)

引言

我国抗震规范[1]提出的抗震设防的基本思想和原则是“三个水准”，这种传统抗震方法旨在通过构件截面的增加，混凝土强度的提高，配筋率的增加等来提高结构构件的承载力和延性，以此抵抗地震作用的破坏[2]。

本文以某框架结构为原型使用铅芯叠层钢板橡胶支座作为隔震装置进行初步的隔震设计，采用大型通用分析软件ANSYS建立了两种有限元模型：传统抗震结构、基础隔震结构，对它们实行模态分析及弹塑性时程分析，得到它们的自振特性以及层间位移和加速度等动力响应，对隔震结构与抗震结构进行对比分析，基础隔震技术的优越性及安全性得到了验证。

一、工程概况

该工程为高层框架结构办公楼，底部2层为商业用房，层高为4.5m；上部3-10层为办公楼，层高3.6m；结构总高度为37.8m。1-2层使用混凝土的等级为C40，3-10层使用混凝土等级为C30。1-10层梁截面均为250mm*600mm；1-2层柱截面为600mm*600mm，3-10层柱截面为500mm*500mm；2-10层板厚为150mm，其他层均为120mm。

本工程建设所在地抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第Ⅰ组。

考虑水平地震作用时的重力荷载代表值施荷下的柱底轴力作为隔震装置的轴力设计值，所得轴力设计值与隔震装置有效面积的比值作为装置竖向平均压应力设计值。最终选取了55个铅芯叠层钢板橡胶装置，其中20个GZY200、4个GZY400、12个GZY500、9个GZY600布置在一层柱底相应位置。

二、有限元模型

本结构采取ANSYS软件自顶向下建立有限元模型，混凝土梁和柱使用BEAM188单元，混凝土板采用SHELL181单元，隔震装置使用COMBIN14单元和COMBIN40单元，竖向刚度的模拟使用COMBIN14单元，只考虑轴向拉压作用；两个水平方向分别采用2个COMBIN40单元。

(一)COMBIN14单元

COMBIN14单元具有轴向拉压或扭转能力的一维，二维，三维弹簧-阻尼单元[3]。轴向弹簧-阻尼器只有单轴拉压作用，各个结点有3个x、y、z方位的平动自由度，此时不具有扭弯能力。旋转弹簧-阻尼器是一个只承受纯扭的元件，任意结点都具有3个自由度，即可以围绕结点坐标系x、y、z的方向自由转动，此时不具有弯拉作用。单元输入的信息有2个结点、弹簧常数k、阻尼常数CV1和CV2，静态分析或无阻尼模态不考虑阻尼特性，KEYOPT(2)可定义单元自由度的方向。

(二)COMBIN40单元

COMBIN40被当做为合并单元，它由两个弹簧、一个阻尼器和一个滑块并联再与间隙串联形成。该单元任意结点只有1个自由度。

单元输入数据有2个结点、两个弹簧常数K1、K2、阻尼常数C、质量M、间隙大小GAP和极限滑动力FSLIDE。相关常数为零表示不使用对应的功能。若实常数GAP为零，表示不考虑间隙功能。实常数FSLIDE为极限滑动力，即弹簧力一定超过此值才能滑移，若FSLIDE为零，则表示单元无滑行作用，相当于刚性连接。滑动具有“分离”特性，即一旦弹簧力达到极限滑动力FSLIDE，允许弹簧刚度K1降至为零。考虑“分离”特性时，极限滑动力以FSLIDE输入，适用于拉断和破坏，此时K1弹簧刚度降至零且弹簧力F1不复存在。单元的输出有I、J结点的位移、两个弹簧的弹力F1、F2等。

建筑物所受水平作用主要有地震作用和风的作用。根据抗震设计标准，如果在地震作用结合时，高度小于60m的建筑可忽略风荷载作用。因为本工程建筑高度小于60米，因此忽略了风的作用。

竖向荷载作用包括建筑物自身的重量、除自身重量外的楼屋顶恒荷载、楼屋顶活荷载、设备设施重量以及其他构件重量等，在9度设防区，还有竖向地震作用。本工程仅考虑建筑物自重、楼屋面活荷载。钢筋混凝土等效密度取2700Kg/m3，其弹性模量E近似取为Ec[4]。楼面活荷载，底部两层为2.5kN/m2，上部3-9层为2.0kN/m2,10层顶为0.9kN/m2。

根据结构平面布置建立传统抗震结构的几何模型，并进行网格划分，得到传统抗震结构的有限元模型，在传统结构抗震有限元模型分析的原则上建立隔震单元得到基础结构隔震的有限元模型。传统抗震结构经过网格划分形成8455个结点，10994个单元。

四、模态分析

采取划分lanczons方式[5]对隔震与非隔震结构进行模态分析的成果，基础隔震的第一自振周期向后延迟了约1.45倍，这对于建筑物错开地震动的卓越周期，减弱上部结构的震动作用是有益的。

五、时程分析

本文时程分析选择典型的天然地震波[6]：EL-Centro波(1940年NS方向)，时长20s，时间间隔0.02s。

由软件分析知，隔震结构位移主要发生在隔震装置上，上部结构可以近似看成水平移动；隔震前顶层加速度最大响应降为9m/s-2，隔震后顶层加速度最大响应降为3.41m/s-2，约为隔震前的2/5。说明隔震体系使得上部结构的加速度响应明显减小；未隔震结构基底最大剪力约为14000kN，进行隔震后基底最大剪力约为5000kN，约为隔震前的36%。这说明隔震体系大大减弱了地震作用向上部结构的转递。