某框架结构隔震层优化设计

彭彦煌

（广州大学土木工程学院）

0 引言

经过历次地震，隔震结构已证明了减震能力[1]。Ryan 等[2]分析了隔震层不同位置及参数的层间隔震结构，得出不同的减震效果；宋晓等[3]对其深究，通过分析某一框架结构，对比分析基础﹑层间隔震结构的减震效果，证明隔震层存在最优参数。本文根据位移响应均方值表达式，因LRB+LNR 隔震层在面对脉冲地震动时较易超限，所以选用HDR 对某框架结构进行隔震层优化设计。

1 工程概况

该模型为单一框架结构，总共9 层，层高均为3.300m；地震设防烈度为8 度，场地类型为Ⅱ类，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.40s。本文选择了Elcentro 波、Taft波、人工波以及三条近场脉冲地震动，分别对基底隔震、一层隔震（隔震层布置在一楼柱顶）、三层隔震等三个LRB+LNR 方案以及三层隔震HDR 方案进行对比验算分析。

2 公式推导

针对层间隔震结构，本文选择两质点模型[4]，如图1，将隔震层及上部结构、隔震层下部结构分别简化成一个质点。

在线弹性情况下,由图1 所示计算模型的振动方程如下：

图1 两质点模型

方程组两边进行傅里叶变换得：

由随机振动分析方法，设激励为理想白噪声，即功率谱密度为S0。设结构层间位移x1和x2的功率谱密度分别为Sx1（w）=S0∣Hx1（w）∣2，Sx2(w)=S0∣Hx2（w）∣2。

则x1和x2位移响应均方值表达式为[5]：

其中：

其中：

令ζ1=0[6]进一步将F（p，q）简化成：

因此：

选择三层隔震方案作为验算对象，即质量比q=2，代入方程求得k2=0.4622k1，结合ETABS 最终求得支座水平等效刚度约为2187KN/m。

3 动力计算分析

3.1 地震波选取

本文选取了6 组地震记录,根据规范规定：每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均超过振型分解反应谱法计算结果的65%，3 条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%。表1 给出了6 组地震记录对比。

表1 底部剪力比值

3.2 隔震方案

组合使用LRB600（布置在楼层外围）和LNR600（布置在楼层内部）建立基底隔震、一层隔震、三层隔震模型；全部使用HDR520 建立三层隔震模型，支座参数如表2 所示。

表2 支座参数

3.3 分析结果

使用ETABAS 在设防烈度下算得模型的层间剪力进而算出减震系数，仅列出第一楼层的结果，如表3 所示；在罕遇烈度下验算支座是否超限，其中LRB600 位移限值是330mm，HDR520 位移限值是252mm，结果如表4 所示。

表3 减震系数

表4 隔震层位移

4 结论

各个隔震方案相较于抗震结构均具备一定减震能力，但是对部分脉冲地震动的减震效果一般；尤其是在罕遇烈度下，使用LRB600+LNR600 的三个方案支座位移均超限；使用HDR520 的三层隔震方案虽减震效果略差于基底隔震，但是支座没有超限，并且造价也比基底隔震方案低。因此若要考虑脉冲地震动对隔震结构影响时，可以使用部分高阻尼橡胶支座代替天然橡胶支座。