框架结构的隔震设计之抗震性能分析

1、    框架结构的隔震设计之抗震性能分析            作者：运胜涛 陈亦仁时间：2009-7-27 16:07:00                     论文关键词： 隔震  框架   有限元论文

2、摘要：本文借助于有限元软件ETABS对唐山市一隔震设计的医院住院楼进行了地震反应分析，分析中采用了与传统的抗震结构相对比的方案，分析结果表明隔震结构延长了结构的周期，使结构的加速度反应大大减少，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，结构基本上处于弹性工作状态。1.引言刚刚发生的汶川大地震夺去了我多少中华儿女的性命，其中绝大多数是因为房屋抗震设计不到位发生倒塌而引起的，笔者在原有抗震设计的基础上对新的减震设计方案隔震设计进行了研究。传统的结构抗震是通过增强结构本身的抗震性能像增强强度，刚度，延性来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，属于被动消极的抗震对策

3、。隔震设计是通过在建筑物基础与上部结构之间设置隔震装置形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开来，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部传输，以减少建筑物的地震反应，实现地震时建筑物只发生轻微运动和变形，从而使建筑物在地震作用下不损坏或倒塌。目前国内的结构设计软件还不能模拟隔震支座，所以这里采用ETABS对实际结构建模分析比较，结果表明隔震设计方案的抗震性能大大优越与传统的抗震设计方案。同时，使用过程中发现ETABS软件具有强大的建模和分析功能，是从事结构设计工作的很好的分析软件。2.工程分析案例2.1工程概况本工程为唐山市一医院住院楼，地上八层，地下一层地下室层高2.4m，标准

4、层及顶层层高3.3m,类场地，属乙类建筑，设防烈度为8度(0.2g)，设计地震分组为二组，抗震等级为二级。标准层平面图如下所示：                      图（1）：标准层平面图构件设计尺寸：             柱：500×500

5、0;            梁：550×300             板：h=120   ETABS建模分析（1）建模时初步采用两种方案首先建立无隔震支座的传统抗震设计方案如图（2），梁柱板构件均采用与实际工程对应的简化单元，即梁柱采用线单元，板采用壳单元，支座采用固支。建立相应的分析模型。图（）：方案一支座固定其次建立加隔震支座的消能

6、减震设计方案如图（3），单元选用同方案（1），支座采用橡胶隔振支座。                       图（3）：方案二基础加隔振支座建模过程中单位取，为保证变行协调及合理的有限元分析对板进行了边界限制以及有限单元的网格划分。其中，壳（SHELL）单元既具有弯曲能力，又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。本单元每个节点具有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平

7、动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动。而模拟梁柱的线单元是一种可用于承受拉,压，弯，扭的单轴受力单元，这种单元在每个节点上有六个自由度，x,y,z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的角位移，。需要输入的数值有截面尺寸，弹性模量，泊松比等。在地震作用下隔震结构的上部变形很小，所以梁柱和楼板均采用弹性分析，单元弹性模量输入混凝土的弹性模量。（2）隔震支座的选型与布置    本方案采用基础隔振，隔震层设置在建筑物的最下层，即基础顶面。对于本案例每根框架柱下均施加隔震支座。隔震支座采用多层橡胶支座，该橡胶支座设计成与柱具有同等程度的竖向刚度 ，因此对于上下地震动，隔震和抗

8、震建筑物具有相同的地震反应。另一方面，对于水平地震动，隔震层的水平刚度设计的较低一些，这样会使隔震建筑的地震输入大幅度降低。因为建筑物的损坏、内部物体的移动翻到，主要由于水平震动、或水平与竖向震动共同作用，因此即使在上下震动很大的直下型地震时，与抗震建筑相比，隔震建筑的损坏也会较小。    在ETABS软件中用滞回隔震器：isolator1来模拟橡胶隔震支座。这种连接单元对于两个剪切变形有耦合的塑性属性，且对其他4个变形有线性的有效刚度属性。对每一个剪切变形自由度，可以独立的指定线性或非线性的行为。对于轴向变形和3个弯曲变形，其属性只能是线性属性。本案中对此单元的

9、设计参数为：其属性如下：U1方向，垂直（轴向）设为较大刚度=1.8x109N/m,有效阻尼为0；U2方向，（线性）有效刚度=1.6x106N/m,有效阻尼为0；（非线性）初始抗剪刚度=1.8x107N/m,剪屈强度=1.8x105N,屈服刚度初始刚度比=0.1；U3方向的设置同U2。    （3）地震反应分析本案对结构模型进行时程分析，输入 EI Centro NS 1940双向（X，Y）地震波，持续时间为30s，根据规范要求时程分析时要对地面加速度峰值需要调整比例系数。因为选用地震记录时要注意使其加速度峰值与抗震规范中基本烈度的相应值协调。根据本地区处

10、于8度区，地震基本加速度为0.2g,而选择的地震波的峰值为341.7cm/s2,为利用该地震波的波形需进行规一化，既用EI Centrol 波的最大值除以全地震波，再乘以本题的峰值，其比例系数计算式为：8度基本： =  8度罕遇： = 注：在定义时程工况时软件读取时程函数EI Centro波时以记事本读入，单位默认以软件通用单位同，所以这里要以软件开始设置统一，都以mm为准。2.3分析结果对两种方案分析结果逐一比较，比较结果如下：1周期比较            &

11、#160;          方案一与方案二的自振周期比较                      单位：s        振  型方  案一     

12、60;          二      三      四方案一  0.8714 0.7599   0.6698    0.2845方案二  1.8407   1.5078   1.4577   0.4234对比分析结果表明采用隔震设计较抗震设计自振周期有较大幅度延长，且均延长一倍

13、左右，这使得建筑物的自振周期得以避开地震波的卓越周期（0.111s），避免了共振引起的震害。2楼层位移对比                                  图（4）：楼层位移对比图由各楼层位移对比图（4）可看出采用基础隔震的建筑总体位移要大于基础固结的建筑，随着

14、高度的降低二者的位移差别越大，特别指出基础固结首层侧移接近零而基础隔震首层侧移超过了0.4m。可以看出采用基础隔震的建筑其侧移主要发生在首层。3 层间位移对比                              图（5）：层间位移角对比图    由层间位移角对比图

15、（5）可以看出在8度中震作用下，基础隔震建筑的层间位移角要远远小于基础固结建筑层间位移角。而且远远小于规范规定的值。即使在8度罕遇大震作用下隔震建筑的层间位移角也小于8度中震作用下基础固结建筑的层间位移角，这样就把大震的作用效应变成了中震的作用效应。由图还可看出基础隔震建筑的层间位移角较大值主要出现在首层，上部各层变化不大，从而得出基础隔震建筑在地震作用下其侧移主要发生在首层，上部结构层间侧移很小，像一个刚体一样整体平动。这样就大大减少了地震作用效应。3.结论1）用ETABS具有强大的建模分析功能，可以很好的对结构进行非线性动力时程分析，效果能很好的体现。2）采用隔震设计较抗震设计自振周期有较大幅度延长，使得建筑物的自振周期得以避开地震波的卓越