某多层框架结构隔震分析

2020-09-12 14:09:05 现代商贸工业 2020年30期

孙永

摘 要:本文以云南某养老院为例,采用基础隔震措施,对上部结构进行隔震控制分析。利用盈建科(YJK)建模的快捷方便性,结构模型在YJK中建立,并通过YJK软件自带接口进行YJK—ETABS模型转换。利用快速非线性分析FNA方法,分别对非隔震与隔震结构进行设防地震和罕遇地震下的非线性振型积分法分析,结果表明:隔震支座通过水平变形能够有效地耗散地震力,且延长建筑结构基本周期,增加整体结构阻尼,大大避开场地特征周期,对地震波中的高频能量起到明显地过滤效果。使结构体系改变成柔性体系,隔震思路从传统硬抗震到软隔震的转变,从而很大程度地隔离地震能量传递到上部结构,减小结构动力响应,达到隔震控制的目的。采用隔震装置后的上部结构隔震效果显著,满足结构抗震需求。

关键词:基础隔震;FNA方法;ETABS

中图分类号:TB 文献标识码:Adoi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.065

0 引言

随着我国社会与国民经济快速发展,基础设施建设达到高潮期,建筑结构大致呈现出几个特点,建筑大规模、大面积、大数量、结构长大化、高耸化,以及复杂化。现在面临一个问题,多数大中型城市的复杂建筑还未经受大地震考验,且我国是一个地震频发国,基础设施建设有很多紧靠或跨越地震断层,仍有大量不满足抗震要求的新旧建筑。在以往地震灾害中,布置隔震装置后的建筑结构,往往发生破坏的概率比较低,即更为安全可靠,隔震效果明显,具有良好的隔绝地震优势。

隔震技术属于典型的被动控制技术,自上世纪60年代诞生以来,各国学者对此展开深入研究,使其应用也越来越广泛,目前隔震技术已趋于成熟。我国于上世纪80年代引进,1996年,唐家祥以实际隔震工程为背景,阐述了基础隔震的设计方法与原则,并对比同期修建的非隔震工程决算费用,研究表明采用隔震措施可节约工程总造价10%。2001年,我国将隔震技术写入抗震规范中,提出减震系数概念,并在实际工程中大力推广使用,2004年,祁皑等推导了基础隔震结构在不同工况下高宽比限值。2009年,于旭通过研究表明,在软土地基上考虑土结构相互作用,会进一步提升隔震效果。2013年,周云以芦山县人民医院门诊综合楼实际隔震效果为依据,提出2010版《抗规》中的隔震指导方法是有效合理的。近些年,我国也在大力推广隔震建筑,本文结合工程实例,对云南某养老院进行隔震分析。

1 隔震设计流程

(1)初步确定隔震设防目标,通常采取设防烈度降低一度,以隔震层为分界,分为下部结构,上部结构,隔震层三部分。

(2)模型转换,将YJK模型或者PKPM模型转换成ETABS模型,并进行模型对比,对比其质量,周期,以及楼层剪力,以检验模型的合理可行性。

(3)建立ETABS隔震模型,在重力荷载代表值下,通过有铅芯以及无铅芯橡胶隔震支座的合理搭配布置,得到设防地震下的隔震模型。

(4)计算水平减震系数,选取7条地震波,分别对中震非隔震模型以及中震隔震模型进行弹性时程分析和FNA时程分析。计算楼层隔震前后的剪力与倾覆弯矩比值,最后取隔震层以上二者的最大比值为减震系数。

(5)通过水平减震系数,判断是否满足设防目标。

(6)隔震支座验算,验算隔震支座的拉,压应力,以及位移指标是否满足规范要求,并利用得到的支座反力进行支墩配筋。

2 工程概况

本工程为多层框架结构养老院,总共7层,其中,地上六层,地下一层地下室(隔震层)层高4.2米,首层层高5.4米,其余层高均为3.6米,建筑高度:23.70m。

设防烈度八度0.3g,地震分组为第三组,设防类别为重点设防类(乙类),建筑场地类别:III类,特征周期为0.65s,抗震不利地段。其结构有限元模型如图1所示。

3 支座布置

采取基础隔震方法,将地下室作为隔震层,考虑到近场放大效应,从经济性,合理性,可行性3方面考虑,经反复试算,采用铅芯橡胶支座LRB1000,LRB900和天然橡胶支座LNR900共3种类型支座,其支座布置图如图2所示。其中,在布置主要遵循以下原则:

(1)《抗规》规定,在重力荷载代表值下的隔震垫子压应力值宜均匀,且不应超过乙类建筑的限值12Mpa。

(2)罕遇状态下,隔震垫子不宜出现受拉状态,不可避免时,应验算其拉应力,使其小于限值1.0MPa,从而控制隔震支座不会因受拉而破坏。

(3)在罕遇状态下,隔震支座的水平位移不宜过大而超过限值,限值取min(0.55D,3Tr),D:最小隔震垫子,Tr:橡胶层总厚度)。

4 隔震分析

4.1 隔震前后结构自振周期对比

对比隔震前后建筑结构周期,通过表1可以发现,隔震支座显著放大整体结构周期而变成柔性体系,其中,第一周期从1.0311s,延伸到2.6081s,放大2.53倍,有效避开了场地特征周期0.65s,从而抑制上部结构动力响应,隔绝部分地震能量。

4.2 多遇地震下隔震分析

选取2组人工波以及5组实际地震记录,通过ETABS软件,对非隔震结构进行线性模态时程分析,并对比基底剪力。其中,规范设计反应谱曲线和7条时程波反应谱及其平均值的对比见图3。

4.3 设防地震作用下隔震分析

设防地震下,主要计算建筑结构隔震前后剪力之比,对于高层建筑结构还需计算倾覆弯矩之比。选取除隔震层外的最大比值为最终水平向减震系数,考虑到近场放大影响,根据公式可得建筑结构的水平地震作用影响系数为1.5×0.24×0.26/0.85=0.110。综合考虑,结构水平地震影响系数取0.12,满足设防烈度降一度的要求。

4.4 罕遇地震下隔震分析

计算结果显示,罕遇状态下隔震支座两个方向(X,Y)最不利水平位移為480mm,小于本工程隔震垫子的水平位移限值495mm,且具有一定的安全储备空间,确保隔震装置隔绝耗散大部分地震能量,达到预期隔震目标。

隔震支座在罕遇状态下,部分边支座产生受拉,最大拉应力值为0.33MPa<1MPa。最大压应力为13.39MPa<30MPa,即拉压应力均达到规范规定,表明大直径隔震垫子不会出现因受拉过大而导致隔震性能受损的影响。

5 结论

本文阐述了隔震分析基本流程与步骤,为多层框架结构的隔震提供一些经验性的指导。通过算例可得:(1)采用隔震技术后,隔震支座延长放大结构基本周期,有效避开地震波中高频部分,削弱隔绝地震作用,从而降低结构响应。构件截面减小,增大建筑使用空间,节约工程总造价。(2)隔震装置通过变形耗散地震能量,隔离地震传递,上部主体结构处于弹性工作状态,运动以平动为主。

参考文献

[1]唐家祥,李黎,李英杰,等.叠层橡胶基础隔震房屋结构设计与研究 [J ].建筑结构学报,1996,(02):37-47+79.

[2 ]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范 [S ].2016.

[3 ]祁皑,范宏伟.基础隔震结构高宽比限值研究 [J ].建筑结构学报,2004,(06):52-58.

[4 ]于旭,宰金珉,王志华,等.土-结构相互作用对铅芯橡胶支座隔震结构的影响 [J ].自然灾害学报,2009,18(03):146-152.

[5 ]周云,吴从晓,张崇凌,等.芦山县人民医院门诊综合楼隔震结构分析与设计 [J ].建筑结构,2013,43(24):23-27.

[6 ]CECS 126:2001叠层橡胶支座隔震技术规程 [S ].