基于隔震技术的框架结构失效机理研究

蒋文俊 郭恩平 陈稚文 张志伟 罗成志

基于隔震技术的框架结构失效机理研究

蒋文俊1郭恩平1陈稚文2张志伟1罗成志1

（1.湖南科技学院 土木与环境工程学院，湖南 永州 425199；2.湖南中烟零陵卷烟厂，湖南 永州 425199）

为提高框架结构抗震性能，本文对实际工程设计了不同隔震支座方案。通过有限元软件SAP2000，对不同隔震支座方案中结构的地震反应分析进行了比较。分析结果表明，随着摩擦滑移支座数量的增加，结构的基底剪力是呈抛物线趋势的，同时结构的隔震层位移逐渐减小。因此，摩擦承压比取中间某一合适的值时，结构的地震剪力最小，结构的位移反应也较小。

复合隔震；时程分析；摩擦承压比；基底剪力；隔震层位移

框架结构在历次大地震中都表现出较严重的破坏或者倒塌，众多专家均提出相应的改进框架结构破坏机制的措施和方法，如加大柱配筋，设置支撑，改进结构体系，设置为少剪力墙结构等。不同的方案改进框架结构破坏机制效果不一，目前比较成熟的方法为在框架结构中设置隔震层，结构隔震技术是目前应用于框架结构抗震中比较有效的措施，随着技术的发展和对隔震支座性能研究的成熟，国内外采用复合隔震技术居多[1]。该方法结合了摩擦滑移支座和橡胶支座的优点，能在经济合理的基础上提高框架结构抗震性能，使设计及构造处理更灵活。

复合隔震支座采用不同布置方案，以分析得出最优方案，以最大程度提高结构抗震性能。本文通过对某框架结构设置纯橡胶支座，纯滑移支座，通过四个滑移支座为一组逐渐增加滑移支座数量以得到不同方案，从而得到不同承压比时，结构的基底剪力和隔震层位移的变化曲线[2]。

1 隔震结构

结构隔震技术是目前应用于框架结构抗震中比较有效的措施，随着技术的发展和对隔震支座性能研究的成熟，复合隔震方法能够更大程度提高结构抗震性能，因此国内外采用该方案居多。该方法结合了摩擦滑移支座和橡胶支座的优点，能在经济合理的基础上提高框架结构抗震性能，而且使设计及构造处理更加灵活[3]。

隔震支座布置位置不同，可以形成不同的复合隔震方案，对结构抗震性能的影响是不同的。如何分析得到最优方案，以最大程度提高结构抗震性能是亟需解决的问题。本文针对实际工程案例，通过几种不同布置方案进行有限元分析，包括纯橡胶支座，纯滑移支座，以四个滑移支座为一组逐渐增加滑移支座数量，从而得到不同承压比时，结构的基底剪力和隔震层位移的变化曲线。

2 隔震原理

2.1 橡胶隔震支座

橡胶隔震支座是由橡胶层和钢板层叠合而成，其中橡胶层主要提供水平刚度，竖向刚度由钢板提供，不提供水平约束。通过第1、2形状系数决定其变形性能，具体计算公式如下。

橡胶隔震支座在受到上部结构的竖向压力作用时，其承载力主要由内部的钢板强度决定，当支座受到竖向压力，橡胶层会受挤压变形，使得钢板受拉破坏导致支座破坏。当支座受到水平剪切作用时，支座会发生变形，此时钢板对橡胶层不起作用，橡胶层可以发生水平变形，从而消耗地震能量，此时由于支座顶部和底部重叠范围内的橡胶仍然处于三向受力状态，支座仍具有一定的竖向承载力。

图1 橡胶隔震支座

图2 摩擦滑移支座

2.2 摩擦滑移支座

摩擦滑移支座是利用钢板之间的滑动消耗一定的地震能量，其剖面如图2所示，当结构受到水平地震作用时，支座的上下钢板之间发生水平剪切变形，钢板之间的聚四氟乙烯板具有一定的竖向承载力，且当水平地震作用比较小时，由于摩擦力的存在，支座不会发生变形，具有一定的初始刚度，当地震作用足够大时，钢板之间发生滑移变形从而消耗地震能量[4]。

2.3 并联隔震体系

并联隔震体系由橡胶滑移支座和摩擦滑移支座并列而成。这种布置方式可以利用滑移支座的竖向刚度大的特点承担上部结构的部分自重。减少橡胶垫的数量从而降低造价。并联隔震体系的计算模型，一般情况下层间剪切模型适用于隔震结构。摩擦滑移支座一般采用理想弹塑性计算模型。橡胶隔震垫在一定变形内可以考虑为线性恢复力元件，在设计变形范围内，连接原点和终点的割线刚度基本为常数。并联隔震支座的运动微分方程如下[5]：

3 工程案例

3.1 工程概况

本工程为已有某办公楼框架结构，结构总层数为七层，每层层高为3 m，工程位于邯郸市，8度设防(0.2 g)，设计地震分组为二组，抗震等级为二级，Ⅱ类场地。结构设计信息为，柱截面为500 mm×500 mm，主梁梁宽300 mm、高600 mm，次梁梁宽250 mm、高450 mm，板厚为120 mm。

图3 结构平面图

3.2 方案的布置与支座参数的设置

通过SAP2000进行有限元分析，对比各种不同布置方案，最终根据本项目布置了11种方案，纯橡胶支座，纯滑移支座，4个滑移支座，8个滑移支座，12个滑移支座，16个滑移支座，20个滑移支座，24个滑移支座，28个滑移支座，32个滑移支座，36个滑移支座。

在有限元软件中，橡胶支座的有限元模拟采用GZP600用滞回隔震器Rubber isolator。其设计参数为：U1方向，垂直（轴向线性）刚度=1.7×109N/m，有效阻尼为0；U2方向，线有效刚度为0.9×106N/m，有效阻尼为0；非线性刚度为0.7×106N/m，剪屈强度为0.7×105N，屈服刚度初始刚度比为0.1；U3方向的设置同U2。

滑板支座用Friction isolator模拟。其设计参数为：U1方向，（线性）刚度=1.1×109N/m，有效阻尼为0；（非线性）刚度=1.1×108N/m。U2方向，（线性）有效刚度=0.6×106N/m,有效阻尼为0；（非线性）刚度=1.6×107N/m，摩擦系数0.2，弧度为0。U3方向的设置同U2。

输入EI Centro 地震波，定义工况一Dead,荷载类型 DEAD，函数RAMPTH，比例系数1；定义工况二 Time，荷载类型Accel U1，取比例系数为5.7。定义荷载工况一是因为结构中有非线性连接单元时，定义一个在自重作用下的时程工况，采用斜坡函数模拟自重的施加过程，并为该工况指定一个高阻尼结构的由斜坡函数激励产生的振动。在自重时程分析工况之后，给该框架结构施加一个在水平方向或竖直方向加速度时程函数。模拟地震波作用于结构上时，结构在本身自重荷载作用下的效应[6]。

3.3 各方案地震反应对比结果

通过对比不同方案下结构的基底剪力和隔震层joint644的位移反应，对比分析摩擦承压比对结构隔震性能的影响。分析数据处理如下：

1）结构摩擦承压比与基底剪力和位移

图6 摩擦承压比与顶点位移

图7 摩擦承压比与基底剪力

从有限元分析结果可以看出，隔震层摩擦承压比会随着摩擦滑移支座的增加而增大，结构隔震层位移反应随摩擦承压比增大呈下降趋势，结构基底剪力曲线呈抛物线。

2）连接滞回耗能与摩擦承压比关系分析

图8 连接滞回耗能与摩擦承压比关系

从以上不同方案结构的耗能曲线可以看出，摩擦承压随滑移支座数量的增加而增大，滑移支座越多结构耗能越明显，隔震层吸收地震能力越大，结构的抗震性能越好。

4 结 语

本文通过对实际项目进行不同隔震支座布置并进行有限元分析，发现通过在实际工程案例中设置隔震支座，可以有效提高结构的抗震性能，并且根据橡胶隔震支座和滑移支座布置数量的不同，对比不同布置方案结构的摩擦承压比与基底剪力，顶点位移与基底剪力关系曲线，可以得出以下结论：随着复合隔震摩擦承压比的增大，基底剪力呈抛物线趋势，结构存在最优承压比问题，其最大位移反应会逐渐减小；随着复合隔震摩擦承压比的增大，耗能能力逐渐增强；采用隔震支座可以改进框架结构的抗震性能。

[1]ATC,Seismic Evaluationand Retrofit of Concrete Buildings[R], ReportNo.ATC-40.Applied Technology Council,Redwood- City,California,1996

[2]FEMA,“NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings”[R],FEMA - 273,Washington D.C.,1997

[3]管江涛.浅议高层建筑结构设计中的隔震减震措施[J].城市建设理论研究(电子版),2017(13):103-104.

[4]叶鑫.摩擦滑移摆隔震新技术试点工程应用研究[D].昆明理工大学,2017.

[5]袁颖,周爱红,杨树标,何国峰.并联复合隔震结构的地震响应和滞回特性分析[J].工业建筑,2014,44(01):29-33+133.

[6]易鸣,姚运生,王秋良,魏勇,雷霆.某框架结构基础隔震地震反应对比分析[J].地震工程学报,2019,41(02):340-346.

2020-09-29

湖南科技学院2017年大学生研究性学习和创新性实验计划项目“基于混凝土结构设计的框架破坏机制研究”（项目编号201301502052）；2019年永州市指导性科技计划项目（项目编号2019-yzkj-17）；2019湖南省教育厅课题（项目编号20C0850）。

蒋文俊(1999－)，男，湖南永州人，湖南科技学院土木与环境工程学院学生。

郭恩平(1987－)，女，山西临汾人，硕士，讲师，研究方向为工程结构抗震与振动控制。

TU352

A

1673-2219（2021）03-0033-04

（责任编校：文春生）