基于ETABS结构分析软件的框架结构基础隔震分析_崔利富VIP

第 10卷 第 1期大 连 民 族 学 院 学 报V o l . 10, N o . 1 2008年 1月J o u r n a l o f D a l i a nN a t i o n a l i t i e s U n i v e r s i t yJ a n . 2008 基于 E T A B S 结构分析软件的 框架结构基础隔震分析 崔利富 1 ,孙建刚 2 ,郭 巍 3 ,盛 燕 4 ,李 辉 2 ( 1. 大庆石油学院 土木建筑工程学院,黑龙江 大庆 163318; 2. 大连民族学院 土木建筑工程学院, 辽宁 大连 116605;3. 黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163310; 4. 锦州市建筑设计 研究院 ,辽宁 锦州 121001) 摘 要: 基于 E T A B S 有限元分析程序, 对某一框架结构进行了非隔震结构与基础隔震动响应分析研究 。 通过对框架结构固有特性进行分析比较, 得出隔震结构能大大延长建筑结构的固有周期, 降低固有频 率, 从而避开场地的特征周期和特征频率; 分别采用反应谱分析、时程分析和能量分析三种方法对框架 结构的动力特性进行分析比较, 得出隔震结构的地震动响应与传统抗震结构相比有所降低, 表明隔震结 构起到了隔离地震的作用。 关键词: 框架结构; 基础隔震; E T A B S ; 反应谱分析; 时程分析; 能量分析 中图分类号: T U352. 12文献标志码: A文章编号: 1009-315X ( 2008) 01-0070-05 基础隔震 1 , 就是在基础顶面和上部结构之 间安装一层具有足够可靠性的隔震层 ,将基础和 上部结构隔离开来 ,有效地控制地面运动向上部 结构的传递 。 本文应用 E T A B S 2 结构分析软件建立某一 框架结构的有限元模型,采用反应谱分析 、 时程分 析和能量分析三种方法对其进行地震动响应分 析 ,从而验证基础隔震的有效性 。 1 计算模型的建立 该框架结构层数为 12层, 其中首层和第 2层 层高均为 4. 5 m ,标准层层高为 3. 3 m , 柱截面为 700 m m 700 m m ,柱距采用 6. 6 m 6. 9 m ,中间走 廊宽 2. 7 m 。边横梁和纵梁为 350 m m 600 m m , 中横梁为 350 m m 400 m m 。外墙为 300 m m厚空 心砌块, 内墙为 200 m m厚空心砌块 ,楼板为 150 m m厚钢筋混凝土板。混凝土容重按 25 k N /m 3来 进行计算,上部结构的总重 m= 16. 66 10 6 k g 。该 框架结构的场地特征周期为 0. 4 s 。 采用整体布置隔震器的方案来研究地震的作 用 ,即在每一个柱子与基础的连接处布置隔震装 置 。要求隔震结构的自振周期 T= 3 s ,阻尼比为 0. 1,隔震器的水平刚度按 T= 2 m k ( 1) 计算功能建立计算模型,如图 1。 图 1 隔震结构的计算模型 2 固有特性比较 2. 1 振型比较 因第一振型反应结构的主要特性, 这里仅比 较一阶振型图,如图 2。 收稿日期: 2007-07-20 作者简介: 崔利富( 1982-) , 男, 黑龙江五常人, 大庆石油学院土木建筑工程学院硕士研究生, 主要从事防灾减灾 工程及防护工程研究 。 第 1期崔利富, 等: 基于 E T A B S 结构分析软件的框架结构基础隔震分析71 由一阶振型的比较可看出 , 隔震结构近似于 整体平动,可见隔震器发挥了隔震作用。 2. 2 固有周期和固有频率比较 这里同样只比较框架结构一阶振型所对应的 固有周期和固有频率 ,见表 1。 图 2 一阶振型图比较 表 1 隔震结构与非隔震结构模态的固有周期和固有频率 模态 非隔震结构 周期 /s 隔震结构 周期 /s 非隔震 角频率 /( r a d s - 1) 隔震 角频率 /( r a d s - 1) 振型一1. 968463. 340753. 191921. 88077 由表 1可以看出, 隔震结构的周期大大延长, 固有频率明显降低 ,隔震器起到了延长结构自振 周期的作用 ,达到了隔震的目的 。 3 反应谱分析 3. 1 地震影响系数 由 抗震规范 3计算得出 ,非隔震结构地震 影响系数 = 0. 019, 隔震结构地震影响系数 = 0. 076,可见, 隔震结构的地震影响系数小于非隔 震结构 ,说明隔震结构所受的水平地震作用小于 非隔震结构所受的水平地震作用。 3. 2 隔震结构与非隔震结构层间位移角 隔震结构与非隔震结构的层间位移角如图 3、图 4。 图 3 隔震与非隔震结构 X方向层间位移角 图 4 隔震与非隔震结构 Y 方向层间位移角 由图 3和图 4比较计算后得 , X 方向和 Y 方 向地震作用下隔震结构楼层位移角分别减小。例 如 X 向地震作用下 ,第 12、11层的层间位移角分 别减小了 78. 1 %和 77. 9 %。因第 2层为薄弱 层 ,所以有突变。 3. 3 隔震结构与非隔震结构楼层最大位移 隔震结构与非隔震结构楼层的最大位移如图 5、图 6。 图 5 隔震与非隔震结构 X方向楼层最大位移 图 6 隔震与非隔震结构 Y 方向楼层最大位移 由图 5和图 6可看出 , 隔震结构的位移较非 隔震结构明显增大,而且接近平动, 层间相对位移 减小, 表明隔震装置发挥了隔震作用 。 3. 4 隔震结构与非隔震结构楼层最大层间位移 隔震结构与非隔震结构楼层的最大层间位移 如图 7、图 8。在地震载荷的作用下, 经计算非隔 震结构 X 方向和 Y 方向的最大层间位移分别为 5. 4612 m m 和 5. 0488 m m , 而隔震结构 X 方向和 Y 方向的最大层间位移分别为 2. 006 4 m m和 72 大 连 民 族 学 院 学 报 第 10卷 1. 662 7 m m , 分别比非隔震结构下降了 63. 3 %和 67. 1 %。 图 7 隔震结构与非隔震结构 X方向层间最大位移 图 8 隔震结构与非隔震结构 Y 方向层间最大位移 3. 5 隔震结构与非隔震结构楼层力 反应谱分析隔震结构与非隔震结构的楼层力 如图 9、 图 10。 在地震载荷的作用下,隔震结构的层间剪力都 小于非隔震结构层间剪力, 最小的在第 12层,隔震 结构的层间剪力仅为隔震结构层间剪力的 16. 8 %。 图 9 隔震与非隔震结构 X方向楼层剪力 图 10 隔震与非隔震结构 Y方向楼层剪力 4 时程分析 4. 1 地震波的输入 本文按地震加速度记录反应谱特征周期 Tg 和结构第一周期 T 1双指标选取地震波 E L- c e n - t r o 波进行时程分析, 其加速度峰值为 350 m m/s 2, 地震波的输入方向为 X 方向。 4. 2 隔震结构与非隔震结构层间位移角 E L - c e n t r o 波作用下 ,时程分析所得隔震与 非隔震结构的层间位移角如图 11。 图 11 隔震与非隔震结构 X 方向层间位移角 由图 11可看出,隔震结构的层间位移角明显 降低, 如第 12、11层的层间位移角分别下降了 94. 7 %和 94. 6 %, 也证明隔震装置起到了明显 的隔震作用 。 4. 3 隔震结构与非隔震结构楼层最大层间位移 E L - c e n t r o 波作用下 ,时程分析所得隔震与 非隔震结构的楼层最大层间位移如图 12。 图 12 地震波作用下楼层最大层间位移 由图 12可看出,在地震波作用下隔震结构的 层间位移比非隔震结构有明显的下降, 因为第 2 层为薄弱层 ,所以层间位移有突变。 4. 4 隔震结构与非隔震结构楼层力 E L - c e n t r o 波作用下 ,经时程分析所得隔震 结构与非隔震结构的楼层力如图 13。 在 E L- c e n t r o 波的作用下 ,时程分析隔震结 构 X 方向最大剪力是非隔震结构的 12. 5 %, 在 第 1层 ; 最小是在第 12层 ,仅为 3. 8 %。 第 1期崔利富, 等: 基于 E T A B S 结构分析软件的框架结构基础隔震分析73 图 13 隔震与非隔震结构 X方向楼层剪力 4. 5 隔震结构与非隔震结构楼层加速度 隔震结构与非隔震结构在 E L-c e n t r o 波作 用下的楼层加速度如图 14。 图 14 隔震结构与非隔震结构楼层加速度 由图 14可以看出 ,隔震结构各层的最大加速 度比非隔震结构的最大加速度有明显的下降, 说 明隔震装置起到了隔震的目的 。 4. 6 结构动力放大系数 结构动力放大系数是单质点最大绝对加速度 与地面最大加速度的比值 ,如图 15。 图 15 结构动力放大系数 从图 15可看出,隔震结构的动力放大系数要 小于非隔震结构 ,说明隔震结构的加速度明显减 小 ,隔震装置起到了隔震的作用 。 5 能量分析 5. 1 能量分析相关理论 4 SWe+SWd+SWp+DWe+DWd+DWp= E ,( 2) 式中, s We,DWe分别为框架结构 、 阻尼器弹性振动 能 ; SWp、DWp分别为结构框架、阻尼器累积塑性主 形能; SWd,DWd分别为框架结构阻尼、阻尼器消耗 的阻尼能; E 为输入能量。 在隔震结构中,SWp=SWd=0, SWe=0 , 式 ( 2) 变为 DWe+DWp= E-DWd= ED,( 3) 式中,DWe为隔震层的弹性振动能,DWd为粘滞阻 尼消耗的能量 ,DWp为履历阻尼型阻尼所消耗的 能量, ED是输入结构的总能量 E 减去粘滞阻尼型 阻尼所消耗的能量后剩余的输入能量。 5. 2 隔震结构与非隔震结构消耗能量的对比 地震时非隔震结构的能量反应时程如图 16, 横轴表示地震开始后的时间, t m是最大变形产生 的时刻 , t 0是地震动的持续时间。 图 16 非隔震结构能量时程反应 图 16中 , E ( t ) 、Wp( t ) 、Wh( t ) 分别是各时刻的 输入能量、 阻尼器中的积累塑性应变能和阻尼器中 的粘性阻尼能 , We( t ) 表示 t 时刻的弹性振动能。 We( t ) 在 t = t m时取最大值, t = t0时基本趋于 0。 隔震结构的能量反应时程如图 17。 图 17 隔震结构能量时程反应 从图 17中可以看出,地震输入的能量与隔震 层阻尼消耗的能量基本重合,动能很小,可见达到 了隔震的目的。 6 结 论 通过对某一框架结构在非隔震与隔震两种情 况下的地震动反应分析,结果表明, 设置基础橡胶 74 大 连 民 族 学 院 学 报 第 10卷 隔震体系可以使地震作用有效隔离 ,降低隔震层 结构的水平刚度 ,拉长结构自振周期 ,从而避开场 地的卓越周期 ,降低结构地震反应 。隔震结构的 层间位移角远远小于非隔震结构 , 也远远小于规 范规定的层间位移角的限值。隔震结构的最大层 间剪力仅为非隔震结构最大层间剪力的 39. 7%。 因此, 隔震层上部的结构可以按降低设防烈度一 度考虑 。隔震结构的变形主要以整体平动为主, 结构位移主要发生在结构的隔震层 ,上部结构的 层间位移减小。隔震结构的加速度反应随着层数 的增加而减小, 而且隔震结构每层的加速度反应 都小于非隔震结构。 参考文献: 1 周福霖. 工程结构减震控制 M . 北京: 地震出版社, 1997. 2 北京金土木软件技术有限公司, 中国建筑标准设计 研究院. E T A B S 中文版使用指南 K . 北京 : 中国建 筑工业出版社, 2004. 3 ( G B 50011 2001) 建筑抗震设计规范 S . 北京: 中 国建筑工业出版社, 2001. 4 廖述清, 裴星洙, 周晓松, 等. 基于能量平衡地震响应 预测法在隔震结构中的应用 J . 工业建筑, 2005, 35: 247-252. A n a l y s i s o f F r a m eS t r u c t u r e B a s e - I s o l a t i o nB a s e do nE T A B S C U I L i - f u 1 , S U NJ i a n- g a n g 2 , G U OWe i 3, S H E N GY a n4, L I H u i2 ( 1.C o l l e g eo f C i v i l a n dA r c h i t e c t u r eE n g i n e e r i n g , D a q i n gP e t r o l e u mU n i v e r s i t y , D a q i n gHe i l o n g j i a n g163318, C h i n a ; 2.S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e C i v i l E n g i n e e r i n g , D a l i a nN a t i o n a l i t i e sU n i v e r s i t y , D a l i a nL i a o n i n g116605, C h i n a ;3. C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g , HL J A u g u s t F i r s t L a n dR e c l a m a t i o nU n i v e r s i t y , D a q i n g He i l o n g j i a n g163310, C h i n a ;4.J i n z h o uC i t yA r c h i - t e c t u r a l D e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e , J i n z h o uL i a o n i n g121001, C h i n a ) A b s t r a c t : T h e t r a d i ti o n a l s e i s m i cs t r u c t u r ea n dt h eb a s e -is o l a t i o ns t r u c t u r eo f f r a m es t r u c t u r ea r ea n a l y z e d b a s e do nE T A B S f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s p r o g r a mo f t h e b u i l d i n g . C o m p a r e d t o t h e i n h e r e n t c h a r a c te r i s t i c s , th e i n h e r e n t p e r i o dis e x te n d e da n dt h e i n h e r e n t f r e q u e n c yi s r e d u c e db y a d o p t