近场地震动作用下隔震结构的动力反应分析.pdf

与 建 材装 饰2015 年 2 月 近场地震动作用下隔震结构的动力反应分析 杨 丹 （广东省建筑设计研究院广东 广州510010） 摘要： 为考察不同近场地震动作用下隔震结构的动力反应， 基于地震动峰值加速度和峰值速度的比值 （PGV/PGA） ， 本文选择四条典型近场地震动记录作为结构地震动输入， 利用 SAP2000 建立一栋 6 层 （高 21.6m） 的 LRB 隔震结构， 进行 非线性动力时程分析。计算结果表明， 随着 PGV/PGA 的不断增大， 隔震结构的动力反应也呈增大趋势， 铅芯橡胶支座的 滞回耗能能力也随之变大。 关键词： 近场地震； 铅芯橡胶支座； 隔震结构； 动力反应 中图分类号： TU352.1+2文献标识码： A 文章编号： 1673-0038 （2015） 09-0023-02 引 言 近年来的几次主要大地震， 如日本的 Kobe 地震、 中国台湾 的集集地震、 美国的 Northridge 地震和四川的汶川地震等， 它们 都对建筑物造成严重的破坏，给人类社会带来了巨大的人员伤 亡和财产损失， 但同时也使人们获得了大量的地震动记录。把这 几次地震和其它地震对比，最显著的特点就是具有明显的长周 期位移和速度脉冲， 会对结构产生较大的位移和变形。研究表明 基础隔震在近场地震作用下的减震效果没有远震场地好，隔震 装置未能发挥良好的耗能效果。基于地震动峰值加速度和峰值 速度的比值 （PGV/PGA） ， 本文选取 3 条集集地震和 1 条汶川地 震的典型近场地震波作为地震动输入，对 1 幢 6 层设有铅芯橡 胶支座的钢筋混凝土框架结构进行非线性动力时程分析，得到 不同近场地震动作用下该隔震结构的地震反应。 1 近场地震动的定义 近场地震动 （即近断层地震动） ， 指当震源距较小时， 震源辐射 地震波中的近场区域的地震动， 与中场相比是不能被忽略的1。从 地震学的角度，近场是指“包含一定比例波长的震源周围的位 置” ， 目前， 多数学者认为近场区域为震中距小于 20km 的区域。 迄今为止， 近场地震动没有一个统一的定义， 多数研究人员认为 近场地震动强烈依赖于断层的破裂机制，且包含明显的破裂方 向性效应以及永久的地面位移2。 近场区域的划分的影响因素有：震级大小，断层的类型、 尺 度、 埋深和破裂过程等。近场地震动与一般的远场地震动相比具 有明显不同的性质， 主要原因是断层破裂方向与场地的关系、 震 源机制以及断裂面的相对滑动方向等因素的影响。近场地震动 最显著的特点是滑冲效应和方向性效应引起的脉冲型地震动， 最为常见的是速度脉冲型地震动，这种速度脉冲型地震动的特 点是具有较长的脉冲周期、类似脉冲的波形以及丰富的中长周 期分量， 地面峰值速度 （PGV） 与地面峰值加速度 （PGA） 的比值较 大， 引起的永久地面位移比较大。 2 隔震支座的简介及分类 2.1 隔震支座的简介 20 世纪 60、 70 年代开始，人们对隔震支座进行了较系统的 研究， 逐渐在实际的工程中应用隔震支座， 并做了大量的跟踪观 察。隔震元件方面的研究， 主要表现在两方面： 淤积极探索新工 艺、 新方法、 新材料研制各种隔震元件； 于研究如何将隔震支座 应用在工程实际中，并充分考虑各隔震支座的隔震性能和工程 造价问题。隔震支座可以作为单独的构件， 也可以与其他构件一 起组合起来使用。支撑隔震器主要用于承担建筑物上部结构的 荷载， 减震阻尼器的功能主要是控制隔震支座产生的水平变形， 使其不超过规范中额定限值， 从而减轻建筑上部结构的晃动， 且 在地震结束时能够复位。 2.2 隔震支座的分类 目前常用的隔震支座分为四类， 见图 1。 3 计算模型及基本参数 3.1 计算模型 本文利用 SAP2000 建立 1 幢 6 层的钢筋混凝土框架结构模 型， 隔震装置采用铅芯橡胶支座 （Lead Rubber Bearing， LRB） 。钢 筋混凝土框架结构的层高均为 3.6m，框架柱截面尺寸为 0.5m伊 0.5m，主梁截面尺寸为 0.25m伊0.6m，走道梁截面尺寸为 0.25m伊 0.4m， 混凝土板厚度为 0.12m， 混凝土强度等级为 C30。隔震结构 在每个柱底放置一个 LRB 支座， 共需要 28 个。铅芯橡胶支座在 非线性动力时程分析中采用双线性滞回单元模拟，其力学性能 参数为： 屈服后刚度为 978kN/m， 屈服力为 40.9kN， 竖向刚度为 1700000kN/m， 等效水平刚度为 1489kN/m， 等效阻尼比为 22.8%， 屈服位移为 400mm。 3.2 地震波 基于 PGV/PGA 的取值，本文选取 3 条集集地震和 1 条汶川 图 1 隔震支座类型 规划与设计 23 与 建 材装 饰2015 年 2 月 地震的典型近场地震波作为激励， 地震动的记录参数见表 1。 4 隔震结构的非线性动力时程分析 假设模型抗震设防烈度为峪度 （0.2g） ， 设计地震分组为第一 组， 为二类场地， 输入表 1 中的各地震动加速度时程进行结构的 动力反应分析， 分别将地震波的最大幅值调至 400gal， 相当于峪 度罕遇地震的大小。 表 2 给出了结构隔震前后的前 5 阶模态周期， 可以看出采用 LRB 隔震后， 隔震结构的周期明显变长， 有利于降低上部结构的 地震反应。 表 3 给出了四条近断层地震动作用下隔震结构的各层剪力 值。图 2、 图 3 分别为四条近断层地震动作用下隔震结构的最大 层间位移角和各层最大位移，图 4 为不同近震作用下铅芯橡胶 支座的滞回曲线。 从图 2、 图 3、 图 4、 图 5 和图 6 可以看出， 峰值加速度相同的 4 条近场地震动作用下隔震结构的最大地震反应大小顺序为： TCU052TCU087TCU05651MZQ，而 近场地震动 TCU052、 TCU087、 TCU056 和 51MZQ 的 PGV/PGA 分别为 0.456s、 0.348s、 0.325s 和 0.161s， 说明随着 PGV/PGA 的增大， 隔震结构的地震反 应呈上升趋势。在近场地震 51MZQ 作用下， 其地震反应明显小 于其它 3 条近场地震，说明 PGV/PGA=0.2s 可以作为一个临界 值， 当 PGV/PGA0.2s 时， 近场地震对隔震结构的反应不是很明 显。 从图 6 可以看出， 随着 PGV/PGA 的增大， 隔震支座承受的输 入能越大， 消耗的能量也就越多， 其滞回面积也就越大。从图 5 和图 6 （a） 可以看出， 近场地震动 TCU052 作用下隔震结构的隔 震层位移最大可达到 580mm，远远超过隔震支座的允许水平位 移 （400mm） 。 5 结 语 通过对不同近场地震作用下隔震结构的地震反应对比分析， 可以看出 PGV/PGA 是影响隔震结构反应的重要因素， 随着 PGV/ PGA 的增大，隔震结构的地震反应也相应增加且隔震支座也承 受更大输入能， 消耗更多的能量， 滞回面积也变的更大。 参考文献 1俞言祥， 高孟谭台湾集集地震近场地震动的上盘效应J.地震学报， 2001， 23 （6） ： 615621. 2李 爽.近场脉冲型地震动对钢筋混凝土框架结构影响D.哈尔滨： 哈尔 滨工业大学， 2005： 1134. 收稿日期： 2015-2-12 作者简介： 杨 丹 （1987-） ， 女， 硕士研究生， 主要从事建筑结构设 计工作。 台站编号断层距 （km）PGA （cm/s2）PGV （cm/s）PGV/ PGA （s） TCU0521.84348.66159.00.456 TCU0569.76124.8243.50.348 TCU0873.18165.2353.70.325 51MZQ1.00801.62128.90.161 表 1 近断层地震动记录参数特性参数 1 阶 2 阶 3 阶 4 阶 5 阶 传统抗震结构0.7610.7580.7050.2440.243 隔震结