基于有限元软件的高阻尼橡胶隔震支座研究

王 君

(张家口第一建筑工程集团有限公司,河北 张家口 075000)

0 引言

历史上因为地震灾害导致的建筑、桥梁等结构破坏、倒塌的事件数不胜数，结构的破坏造成的人员伤亡难以承受，并且会导致巨大的经济损失，使城市的经济发展停滞。因此迫切的需要对隔震技术进行进一步研究与发展。目前，我国的建筑结构隔震技术最常见的是铅芯叠层橡胶隔震支座，但是，铅芯的使用会对环境造成不可逆的污染，同时该技术在低温环境下有着显著的缺陷，试验研究显示铅芯叠层橡胶隔震支座在低温条件下容易迅速硬化，而且在低周疲劳的作用下支座中的铅芯容易发生剪切破坏，大大降低支座的阻尼性能。在此基础上研究人员提出了性能稳定的高阻尼橡胶隔震支座，该支座同时具有高阻尼和高隔震的性能，同时没有有害物质，能够在避免环境污染的同时保证工程结构的安全。

1 国内外研究现状

Tsai等人对高阻尼橡胶支座的剪切性能进行了一系列的研究，针对加载速度和剪切变形等因素对支座的剪切性能的影响进行了详细的分析，并且提出了支座的水平恢复力模型，并且通过实验证实了其正确性。Burtscher等人为研究不同形式的高阻尼橡胶隔震支座的力学性能进行了一系列实验，主要对其支座形状系数以及钢板的不同形式对支座的竖向刚度以及水平剪切性能的影响进行了研究、分析，结果表明二者对支座的竖向刚度以及水平剪切性能等力学性能影响较大。Masashi Yamamoto等人进行了高阻尼橡胶隔震支座的水平剪切性能实验，分析了双向耦合效应与支座的水平剪切性能的相关关系，并提出了支座的水平恢复力模型。模拟结果与实验结果相符合。在国内，研究人员也加入到了对高阻尼橡胶隔震支座的研究当中，沈朝勇、周福霖等人[1]采用反复加载实验的方法对新型桥梁高阻尼橡胶隔震支座的水平剪切性能的影响因素进行了相关的试验研究，分别研究了高阻尼支座的剪应变相关性、压应力相关性、温度相关性、老化相关性等试验，研究了相关的因素对支座的屈服强度、等效刚度、等效阻尼比等性能的影响。实验结果显示，高阻尼橡胶隔震支座的阻尼特征受加载频率、温度、老化、反复加载次数的影响较大，而刚度则受其影响较小。庾光忠、周函宇等人[2]对高阻尼橡胶材料的配方进行了设计与试验，并且制作了实物模型并通过实验验证了该支座的设计合理性。通过建立非线性动力分析模型，相关结果相符合。孙冬冬、李吉刚等人[3]研究制作了直径为600 mm的高阻尼橡胶支座的实物模型，并对其进行剪切应变相关性试验，验证等效水平刚度与等效阻尼比与剪切应变的相关性。实验结果表明，等效水平刚度随剪切应变的增加而减小。

2 有限元分析

2.1 工程概况

本工程为一6层框架混凝土结构，自基础顶面至屋面板的总高度为6×3.6=21.6 m，柱网尺寸为6×4，X向5跨Y向4跨，层高3.6 m，采用8度抗震设防烈度，建筑结构安全等级：二级，设计使用年限：50年，二类a环境，设计基本地震加速度0.2g，建筑结构阻尼比：0.05，整个框架结构采用C30混凝土、HRB335钢筋、HPB300箍筋结构尺寸分别为立柱尺寸：700 mm×700 mm；主梁尺寸：700 mm×300 mm；次梁尺寸：600 mm×300 mm；楼板厚：120 mm。作用荷载的标准值分别为：楼面均布永久荷载为3 kN/m2；楼面均布活荷载为q=2 kN/m2，基本风压为0.45，其体形系数1.3，考虑到建筑设计的安全与实用，采用隔震技术以减小房屋的地震反应。

2.2 SAP2000建模

采用SAP2000有限元软件对该6层框架结构进行建模,本文对结构输入地震波el-centro波和tangshanSN波，对结构施加地震作用，分别定义反应谱函数和时程函数以及反应谱工况和时程工况以便进行地震模拟和分析。

时程工况输出时段数定义为1 500，输出时段大小0.02。由于本模型单位选择N·mm，因此在定义反应谱工况时将比例系数定义为9 800。

2.3 隔震支座的选择

为了达到隔震目的，需要通过在支座处设置隔震装置，以起到延长自振周期避免共振的目的，本文选择布置高阻尼橡胶隔震支座。在布置隔震支座前，首先通过对结构进行运行分析，得到在重力荷载下的柱底反力，结构要求竖向压应力不得超过12 MPa，并通过公式,计算柱底处最小直径。再通过结构的基底剪力求得所要求支座的水平屈服力,因此选择尺寸为620 mm×620 mm的高阻尼橡胶隔震支座，隔震支座全部布置在结构柱底。

2.4 SAP2000有限元分析

2.4.1模态分析结果

分别对未布置隔震支座的基本结构与布置高阻尼橡胶隔震支座的结构进行模态分析，得到地震反应数据。分别对二者的振动周期进行了总结和对比，当结构布置隔震结构时前三阶的周期为隔震时的4倍左右。显然，布置高阻尼橡胶隔震支座在很大程度上延长了结构的自振周期，可以有效的避免共振的产生，进而减小地震作用对结构的影响。

2.4.2基底剪力时程分析

通过对隔震结构与非隔震结构进行时程分析，可得到两种结构在el-centro波和tangshanSN波的作用下，在X方向产生的基底剪力数据，通过使用excel表格对数据进行分析对比，得到基底剪力时程曲线对比图，从曲线对比图可以直观的看出当对结构施加隔震支座后基底剪力明显减小，波动更加平缓，结构的地震响应显著降低。

2.4.3层间剪力对比分析

对原结构和隔震结构分别在el-centro波和tangshanSN波的作用下的地震响应进行时程分析，可以得到两个结构在X方向和Y方向的层间剪力值，可以看出无论从X向还是Y向，当结构施加高阻尼橡胶隔震支座后，层间剪力几乎是未隔震结构的1/3，有明显的减小，隔震结构的地震响应成倍降低。

3 分析总结

本文对一个6层钢筋混凝土框架结构布置了高阻尼橡胶隔震支座，并用SAP2000有限元软件分别对布置隔震支座的结构与非隔震结构进行有限元模态分析与时程分析，得到结构基底剪力、层间剪力、周期等数据，从数据中可以明显的看出布置高阻尼隔震支座的结构相比原结构无论是从层间剪力、基底剪力还是自振周期等方面均有大幅度的优化，能够有效的避免结构的共振，可以明显看出，当受到地震作用的时候布置隔震支座的结构能够有效的减小地震的反应，高阻尼橡胶隔震支座的隔振效果良好。

4 发展与展望

高阻尼橡胶隔震支座是一种水平恢复力、竖向承载力、阻尼(耗能)为一体的隔震支座[4]，通过众多学者的研究实验验证可以看出高阻尼橡胶隔震支座的滞回特点饱满，耗能效果显著，并且相对于一般橡胶支座不需要另加阻尼装置，可以降低整体造价，大震后的残余变形较小，耐久性比较好，减少了维修费用，HDR高阻尼橡胶隔震支座受温度影响较小，可以广泛的应用于全国各地。而且与现在最常用的铅芯橡胶隔震支座相比，高阻尼橡胶隔震支座没有外加污染性材料，更加环保。现在高阻尼橡胶隔震支座已大量应用于桥梁工程，但其在房屋建筑结构中仍缺少实践验证，因此，我们仍需对高阻尼橡胶隔震支座进行进一步的探索与研究，使其能够在维持较低的造价的同时，达到更加安全、耐久、抗老化的效果，能够更好地发挥隔震性能。