装配式框架结构基础隔震的隔震效果研究

2020-10-09 11:05:33 科教导刊·电子版 2020年21期

陈春鸣 牟星 周超 肖红飞

摘要:传统的装配式框架结构的优点是强度高、自重轻、整体性好。但是,传统的装配式框架结构的抗震设计在地震中极易被破坏,隔震设计具有以柔克刚的减震优势,所以对装配式框架结构进行隔震设计是很必要的。本文利用PKPM和ETABS建模,对一座20层高的装配式框架结构进行隔震设计和传统非隔震设计进行时程分析,对比受力作用效果。通过比较上部结构的层剪力、倾覆力弯矩等参数计算结构隔震系数,分析隔震设计的隔震效果。

关键词:装配式;框架结构;隔震

中图分类号:TU352     文献标识码:A

0引言

传统的装配式框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成,构成承重体系的结构,即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。中国建筑科学研究院对2008年汶川大地震中部分装配式框架结构房屋的调查结果表明,装配式框架结构在地震中倒塌或严重破坏的约为40%,采用基础隔震可以延长结构的周期,适当增加结构的阻尼,使结构的地震反應大大减小,同时使结构的位移集中于隔震层,上部结构像刚体一样,自身相对位移很小,从而可减少由于设计不当而出现的强梁弱柱和薄弱层等问题。

1工况简介

本文所采用的建筑模型是一栋21层(含隔震层)的钢筋混凝土装配式框架结构,建筑高度为73.8m(含隔震层1.8m),结构层高3.6m。使用年限为50年。抗震设防烈度分为8度和7度,场地类别Ⅱ类,场地特征周期0.35s。基本地震加速度0.2g,地面粗糙类别B类,基本风压0.35kN/m2,建筑类别丙类。

2基础隔震装配式框架结构设计原则和依据

基础隔震装配式框架结构设计必须满足传统装配式框架结构的设计原则即框架柱网布置时,要从满足生产工艺要求、满足建筑的平面要求、使结构合理和方便施工四个方面考虑。框架的柱网力求做到简单、规则、对称、整齐,以便于隔震支座的布置,同时隔震支座的布置应力求使铅芯橡胶支座(LBR)和非铅芯橡胶支座(LNR)结合使用。内部布置非铅芯橡胶支座保证隔震层具有足够的恢复力外沿布置铅芯橡胶支座控制隔震层的位移。

设计依据为《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)及其他有关建筑结构隔震的规范和标准。设计软件为中国建筑科学研究院开发的商业软件PKPM/SATWE,本项目利用该软件进行建筑结构的传统设计和分析。美国CSI公司开发的有限元软件ETABS,本项目利用它进行隔震结构的非线性时程分析和震型分解反应谱分析。

3地震波的选取

本文采用的是基于设计反应谱的规范法。其优点是所选择的地震波反应谱与规范的反应谱拟合较好,便于时程分析与振型分解反应谱法进行比较。地震动三要素即地震动强度、地震动谱特征和地震动持续时间。结构隔震后的前三阶振型周期点上,所选地震波的平均时程的地震影响系数与规范谱的差值如表2,均小于20%,满足规范要求。

4有限元模型的建立和分析对比

建立PKPM模型,在20层上部结构下加层高1.8m的隔震层,确定转换梁和柱的截面。通过SATWE完成上部结构的抗震结构设计,并计算分析控制模型柱的轴压比,梁的配筋率在规范的合理范围内,做到节约成本,结构合理。

ETABS模型的准确性,主要通过ETABS非隔震模型与PKPM模型的比较,主要振型周期中ETABS模型与PKPM模型相差最大为2.32%,总质量相差为4.1%。模型吻合较好。

5隔震效果分析

减震系数为设防烈度地震力作用下隔震结构的层剪力或者层倾覆力矩与非隔震结构的比值,比值越小则隔震效果越好。如表2和图2,图3所示,装配式框架结构基础隔震的隔震效果较好,减震系数在0.4-0.7之间,地震作用大小为影响减震系数的主要因素。

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)12.2.7规定“隔震层以上结构的抗震措施当水平向减震系数大于0.4时不应降低非隔震时的有关要求:水平向减震系数小于0.4时,可适当降低本规范有关章节对非隔震建筑的要求,但烈度降低不得超过1度,与抵抗竖向地震作用有关的抗震措施不应降低。”整个结构的减震系数为各层减震系数的包络值,即取减震系数最大值,由以上装配式框架结构减震系数对比图知工况(层高、场地类型)设防烈度为8度时,减震系数小于7度时的减震系数,即减震效果优于设防烈度为7度。8度设防烈度装配式框架结构20层结构的减震系数位于0.43-0.50之间。

6结论

装配式框架结构基础隔震设计具有很好的隔震效果,在7度和8度设防地区可以削减超过50%上部结构的地震作用,所以结构截面相近的工况下隔震结构比传统非隔震结构更安全。经分析比较知,地震作用越大隔震效果越好,装配式框架结构隔震设计适用于地震高发地区,隔震技术的进一步研究和推广将有利于保障人们的财产和生命安全。

基金项目:2018年广东省高等教育教学改革项目“基于微课的翻转课堂模式在房屋建筑学中的教学实践”;2018年东莞理工学院城市学院高等教育教学改革项目重点项目(项目编号:2018yjjg007)。

作者简介:陈春鸣(1987-),男,汉族,湖南双峰人,硕士研究生,讲师,从事绿色建筑和新型混凝土结构方面研究。

参考文献

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