多层装配式框架基础隔震结构的地震响应分析*

曾雪涵,麻海兰,刘许方

(1. 西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010；2. 四川汽车职业技术学院，四川 绵阳 621000)

引言

与传统建筑相比，装配式建筑的现场拼装方式，导致节点间连接强度降低，建筑物整体抗震性能不足，难以在中高烈度地区推广，因此装配式建筑广泛应用的关键就在于提高其抗震性能.装配式建筑抗震性能的提高可从两方面考虑：一是加强上部结构构件间的连接；二是运用基础隔震技术.目前有许多增强节点连接的相关研究，但其弊端在于装配式建筑连接节点繁多，设计与计算等工作量很大.基础隔震技术将计算与构造形式等设计集中在了隔震层，是一种更为简便的方法.

2012年，卫杰斌和谭平研究员等人采用动力弹塑性理论，分析出层间隔震可使高层装配式建筑抗震性能提高一度，但没有多层建筑抗震性能提升明显[1～2].2013年，刘乐利用ABAQUS有限元软件，提出了一种针对集装箱结构的层层滑移隔震体系，此体系减小了结构各层最大位移和结构层间位移角，提高了集装箱结构的抗震能力[3].2016年，黄敦坚在位移的抗震性能化设计方法基础上，提出了基于目标位移的模块化结构层间隔震设计流程，研究发现随着隔震层位置的上移，模块化建筑的隔震效果逐渐减弱，因此，为提高隔震性能，应尽可能不在结构1/2高度以上的范围内设计隔震层[4].2018年，任佳妮等人以天津市静海白领宿舍公寓为案例，探究了钢结构的模块-框架复合建筑结构的基础隔震设计,研究发现基础隔震设计使结构表现出良好的隔震效果，并且其隔震效果更好[5].

通过以上内容的分析，多层装配式建筑采用基础隔震技术设计更加简单且具有更好的抗震效果，但目前这方面国内的研究与应用还甚少.本文利用ANSYS软件，针对三层钢筋混凝土装配式框架结构的民居，提出了一种新型的柔性连接方式，将基础与上部结构间传统的刚性连接优化为具有隔震效果的柔性连接.通过建筑上部结构的周期、层间位移、层间位移角和顶层加速度等，分析多层装配式建筑在罕遇地震作用下的响应情况，探究柔性连接的隔震效果，为装配式建筑的基础隔震技术研究，提供一定的参考.

1 装配式钢混框架结构民居工程背景

选取一个三层钢筋混凝土装配式框架结构的居民为原型建立仿真模型，场地类别为Ⅱ级，设计地震分组为第二组，地震设防烈度7度(0.1 g)，特征周期为0.4，总质量约7×105 kg，建筑物一层高3.6 m,二层高3.3 m，三层高3 m,共9.9 m高,建筑结构阻尼比为0.05，一层共28根柱子，柱子截面尺寸均为400 mm×400 mm，梁截面尺寸均为200 mm×400 mm，底层地板厚300 mm，其余各层板厚200 mm，均采用C25混凝土.

2 建筑物有限元参数选取及边界条件设置

主要探究基础隔震框架结构的整体抗震性能，因此简化模型，假定钢筋和混凝土受力过程中满足平面和变形协调条件，将钢筋混凝土视为均质材料，钢筋相比混凝土所占比重很小，并且为体现装配式建筑连接强度更低，因此钢筋混凝土的密度设定为2 500 kg/m3，弹性模量等效为混凝土的弹性模量2.8×104MPa，泊松比为0.2，框架结构梁柱采用Beam188单元，板采用Shell63单元类型[6]， 图 1为装配式民居上部结构模型.隔震装置简化为水平向combin14单元类型的弹簧组进行模拟，预设隔震建筑可在罕遇地震波下降低约1度的地震作用，即水平向减震系数为0.5，经计算[7]隔震层刚度设为16.5 kN/mm为宜，每个柱子下均布置一个隔震装置，即每个隔震装置的隔震刚度设为0.59 kN/mm，本文弹簧单元刚度设为0.6 kN/mm，探究隔震装配式建筑的抗震性能.

无隔震装置的装配式建筑底部施加固定约束，具有隔震装置的装配式建筑底部添加弹簧组形成柔性约束.

图1 装配式民居仿真模型

3 地震波选取

根据抗震规范规定[8]，选取两条天然地震波EI-Centro波(见图2)和兰州波(见图3)，一条人工唐山地震波(见图4)进行时程分析，均持时约20 s,三向加速度设置值X向∶Y向∶Z向=1∶0.85∶0.65[9].

图2 EI-Centro波时程加速度

图3 兰州波时程加速度

图4 人工唐山地震波时程加速度

4 数值结果分析

三种波下均可反映隔震装配式建筑与非隔震装配式建筑的地震响应情况，因此任意选取了兰州波三向罕遇地震作用下的建筑物模态分析和时程分析结果进行详细的对比研究.

4.1 模态结果对比分析

本文提取了前六阶结构自振频率具体数据体现在表格中，并绘制了前十阶结构自振周期点线图进行分析，由前六阶结构自振频率对比表1与图5可得，相对于非隔震建筑，隔震建筑的前六阶自振周期均明显延长，并且第三阶振型时两者的自振周期相差最大，约2.88倍，说明抗扭转变形效果增加良好，其次是第一阶振型自振周期相差大，约2.57倍，到高阶振型时则相差无几.

表1 前六阶结构自振频率对比

图5 前十阶结构自振周期对比

同时提取非隔震和隔震模型的前三阶振型图(见图6～图8)分析得，非隔震结构和隔震结构前两阶振型呈现为水平方向的平动为主，并且隔震结构的平动位移更小；第三阶振型呈现扭转变形为主，隔震结构的扭转变形更小，且每层几乎一致，表明结构的振型分析正确，并且基础隔震装置的应用具有良好的减震效果.

图6 非隔震(左)与隔震(右)一阶模态

图7非隔震(左)与隔震(右)二阶模态

图8非隔震(左)与隔震(右)三阶模态

4.2 层间位移与层间位移角结果对比分析

由图9、图10分析得，在三向罕遇地震波作用下，隔震装配式建筑模型的层间水平最大位移与层间位移角均明显小于非隔震装配式建筑模型，并且在兰州7度罕遇地震作用下，隔震装配式建筑模型层间位移角可符合规范规定的限值1/550，说明建筑仍在弹性范围内工作，建筑可继续使用，而非隔震装配式建筑在三条地震波影响下，层间位移角均超限值，表明已不能正常使用.另外由图可得出层间位移与层间位移角均是第二层最大，两图变化趋势一致.综上，柔性基础隔震约束下的装配式民居的抗震性能明显提高.

图9 结构层间位移对比

图10 结构层间位移角对比

4.3 最大加速度结果对比分析

由图11分析得，三条地震波作用下最大加速度的共同点为从底层到顶层逐渐增大，并且隔震建筑的层间加速度均小于非隔震建筑，区别在于：EL-Centro7度罕遇三向地震波作用下，隔震建筑的底层和二层楼板最大加速度均大于非隔震建筑,第三层和屋面板的最大加速度均小于非隔震建筑，而兰州和人工唐山7度罕遇三向地震波作用下的结果较为一致，隔震建筑底层最大加速度大于非隔震建筑，从二层楼板开始，最大加速度均远小于非隔震建筑.

图11 结构每层最大加速度对比

5 结论

本文采用ANSYS软件建立仿真模型，研究了三层装配式钢筋混凝土框架结构民居在柔性基础隔震技术下的动态响应，研究结果表明：

(1)由模态分析得，装配式隔震民居的自振周期明显长于非隔震民居，第三阶自振周期相差最大，约2.88倍，表明抗扭转效果最好，其次第一阶自振周期相差大，约2.57倍抵抗平动位移变形好.

(2)在7度罕遇三向地震波影响下，装配式隔震民居层间位移、层间位移角都明显小于非隔震民居，并且在兰州7度罕遇地震作用下，隔震结构可继续处于弹性层间位移角限值1/550以内，而非隔震结构已超过限值进入塑性状态；同时，装配式民居顶部的最大加速度均远小于非隔震装配式民居，以上结果均表明装配式建筑基础隔震的应用是有必要且很有效果的.

(3)在满足相应规范及隔震目标的条件下，装配式民居柱底隔震装置的布置可以适当减少，从而减少经济耗费.

本文对于多层装配式钢混框架柔性基础隔震结构还处于初步研究阶段，为后续基础柔性隔震装置的深入研究提供了依据与可行性，同时以期为基础隔震技术在装配式建筑中的研究与应用提供参考.