轻木-混凝土层间隔震结构的地震响应分析

(武汉理工大学土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430070)

引言

为了验证新型隔震装置的隔震性能，有必要将此隔震装置应用于轻木-混凝土混合结构中，进行层间隔震结构的整体分析。本章以某轻木-混凝土混合结构为例，利用有限元分析软件SAP2000，建立其有限元模型，对原结构与层间隔震结构进行了多遇地震作用下的时程分析。检验此木制隔震装置的减震效果。

一、轻木-混凝土结构有限元模型的建立

(一)木制隔震装置的模拟

新型木制隔震装置如图1(a)与(b)所示，其由上到下依次由散斗、华拱、泥道拱、栌斗四个部件组成。

(a)侧视详图 (b)俯视详图

由于此隔震装置的工作机理表现出明显的摩擦滑移耗能特征。综合考虑竖向承载力及隔震装置的性能的充分发挥，对隔震层进行了初步设计，共设置104个木制隔震装置。隔震装置的模拟可采用非线性弹簧单元，类型选用Plastic(Wen)。SAP2000中的Plastic(Wen)单元[2]，相当于是在参数A=1，β=γ=0.5确定情况下的Bouc-Wen模型。

(二)模态分析

分别对原结构与层间隔震结构进行模态分析，求得其前6阶周期，层间隔震结构的前3阶振型如图2(a)至(c)所示，依次为南北(华拱)向平动、东西(泥道拱)向平动、扭转。

(a)一阶振型 (b)二阶振型 (c)三阶振型

图2层间隔震结构的前三阶振型

由图表可知，隔震结构的一阶周期相比原结构结构有所增大，但其增大不明显。

(三)地震响应时程分析

分别对原始结构与层间隔震结构进行地震响应时程分析，对比其层间位移、绝对加速度、层间剪力的响应分析其隔震效果。

1.地震波的选取与调整

参照《建筑抗震设计规范》5.1.2条[3]，应选用3条地震加速度曲线，且其中两条应为实际强震记录。选取2条实际强震观测波El Centro与唐山波，以及一条人工合成的地震波ART，地震波双向输入。

2.多遇烈度下的地震响应分析。

分别对原结构与隔震结构输入2种地震波，得到其各层的位移、加速度、层间剪力响应时程曲线，不同地震波作用下华拱向泥道拱向各层层间位移与加速度。

上部轻木结构的加速度相比原结构都有所减小，但隔震层位移不是很明显。华拱方向的加速度减震效果相比泥道拱向稍好。隔震层以下结构绝对加速度相比原结构减少十分不明显，在El Centro波与ART人工波作用下，底层的绝对加速度都出现少量的放大现象。

层间隔震结构其层间剪力相比原结构都有一定的减小，华拱向减震效果比泥道拱向稍好。轻木结构的第二层减震效果相比其他层减震效果较差。

提取各地震波作用下，隔震支座的力-位移曲线如图3(a)至(c)所示。从图中可以看出，泥道拱向并未或刚刚进入滑移阶段，其滞回环狭长。由于华拱向的起始滑移力更小，已经产生了一定的滑动，滞回环相对更饱满。但因为华拱向初始刚度偏大，故其减震效果相比泥道拱差别不大。

(a) (b) (c)

图3(a)多遇烈度ElCentro波作用下隔震支座力-位移曲线

(b)多遇烈度唐山波作用下隔震支座力-位移曲线

(c)多遇烈度ART人工波作用下隔震支座力-位移曲线

二、结论

通过对比结果表明此新型隔震装置具有良好的减震性能。

在多遇烈度下，隔震支座具有足够的初始刚度来抵御地震作用，但由于地震力过小，无法克服静摩擦力使装置滑动，故减震效果不明显。华拱向由于先于泥道拱向开始滑动，因此在多遇地震作用下减震效果相比泥道拱向更好。

在地震作用下，隔震层以下的结构的加速度响应减小不明显，甚至可能会出现放大的现象。