隔震技术在底部大空间结构中的应用

隔震技术在底部大空间结构中的应用研究摘要：底部大开间上部中小开间房屋是一种应用广泛的结构体系，该类结构的特点是，底层柔、上层刚，刚度的急剧变化使房屋在地震作用下的侧移集中发生在底层，从而造成底层的严重破坏。本文根据该类结构特点，采用隔震技术，通过具体工程案例对不同隔震位置的隔震情况进行比较研究。文中结构模型选用质点系剪切模型，隔震支座选用连续双线性的BOUC-WEN模型，着重讨论了基础隔震和层间隔震的动力特性、隔震效果和地震反应变异性。分析表明，基础隔震和层间隔震都可以使结构的地震反应得到了明显地控制，结构设计时地震作用可以降低一度考虑，同时基本上消除了底部框架房屋上下刚度相差过大的影响。与基础隔震相比，层间隔震虽然隔震效果稍逊，考虑到层间隔震不需在结构周边设置防震缝，可大大简化建筑构造处理，因此在一定情况下仍是很好的选择。同时通过结构反应的波动分析，可知隔震结构的地震反应对地震波更加敏感，设计时应更加慎重。关键词：底部框架结构、基础隔震、层间隔震引言随着城市化进程的加快，底框砖房结构由于其底部可实现大空间，建筑布置灵活，从而在沿街房中得到了广泛的应用，该类结构的特点是，底层柔、上层刚，刚度的急剧变化使房屋在地震作用下的侧移集中发生在底层，从而造成底层的严重破坏。为了防止软弱底层因过多的变形集中而发生严重震害，不宜采用纯框架结构。但是结构上的合理性往往会影响建筑物的使用功能要求，隔震技术的应用为缓和这种矛盾提供了可靠的途径。文献[1-3]对采用基础隔震的类似结构进行了探讨，取得了令人满意的结果。但是基础隔震必须在上部结构的周边设置防震缝，使建筑结构的构造复杂。本文根据底框结构的特点，提出隔震装置设置在底框和上部砖混之间，通过具体工程实例对不同隔震位置的隔震结构进行比较分析研究。工程概况图1结构(a)平面(b)剖面该建筑物为一综合楼，底层为框架结构，上部为砖混结构，共5层，Ⅱ类场地土、地震烈度为7度设防，平面布置及剖面如图1。各层的重量为G1=4920KN，G2=G3=G4=4300KN，G5=2300KN，底层混凝土为C30，底层和上部墙体砖均为MU10，砂浆分别为M10及M5。基础隔震和层间隔震均选用课题组研制的具有自阻尼能力的铅芯叠层橡胶支座ZD400（专利号：ZL982328834），其力学性能见表1，共计30个，规格相同，为减小地震作用时的扭转效应，铅芯叠层橡胶支座应均匀对称地放置。图1结构(a)平面(b)剖面表.1隔震支座力学性能之型号尺设计承载屈力锡/kN蜡设计最大灭水平位嚼移骄/mm汁水平刚度艳/kN/槽mm奖竖向刚度吴/kN/息mm冒等效贱阻尼比售第一形状激系数喂第二形状由系数顺ZD40梦0添2000丈200吵1.28范5欺1447西.3释0.17羽20.2竞5.29计算模型的选取2.1隔震装置计算模型自阻尼叠层橡胶隔震系统的恢复力模型采用BOUC-WEN模型[4]，该模型采用一个改进的变量z来考虑恢复力的滞回分量，恢复力曲线如下（1）其中γ,β,A和n为滞回环的形状参数，在本文中取γ=β=0.5,A=1,n=2，另外屈服前刚度k、屈服后刚度与屈服前的刚度比、屈服荷载Qy等均根据隔震支座的力学性能试验确定。2.2隔震结构计算模型根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)中的有关规定，隔震结构采用串联质点系层间剪切模型如图2，其中0代表隔震层。为描述方便，设非隔震结构为A，基础隔震结构为B，层间隔震结构为C，对于基础隔震结构底部增加一个质点，对于层间隔震在中间增加一个质点，层间剪切刚度为基础隔震支座的水平刚度，各层质点质量采用集中质量法计算。隔震结构的运动方程为（2）2.3地震波的选取地震波选用三条Ⅱ类场地土的实测地震波，分别为ELCENTRO、TAR-TARZANAOFNORTHRIDGEEARTHQUAKE和唐山地震北京饭店观测点南北分量，在时程分析中根据需要的地震烈度对峰值进行调整。动力特性全进行摸态唉分析，自嫁振周期和开各振型质勒量参与系抓数如惭表柱2万，振型如检图应3他，由此可阳知两种隔秩震结构都剑延图2计算模型图3振型源长了结构夸基本自振蹦周期，但鬼是对第二节自振周期俩影响较小捆。对于基指础隔震结现构，第一集振型的质拒量参与系胜数近乎课为绘1倘，结构主盾要以上部另结构的刚扑体运动为杠主，而层邪间隔震第扑一振型的迫质量参与杜系数耍为喘0.8帜1握，不满足辈抗震规范爪对结构质危量参与系眠数大任于深90线%坐的要求，战必须考虑暮第二振型疫的影响，俱由售图冲3门，层间隔勒震结构的遣第二振型扒主要是底桥层的变形炮振动，上六部结构基舅本不动，吗因此相比屯较基础隔航震，层间惨隔震的振比动特性较聚图2计算模型图3振型汉表墓2厅夏自振频率灶和质量参咬与系数黄A羡(扁非隔震结吨构储)碰B柏(登基础隔震禾结妖构纺)贷C伐(痒层间隔震堵结婆构恭)写自振周期自质量参与班系数欠自振周期渗质量参与苹系数醋自振周期夹质量参与亭系数感振纺型悉诞Ⅰ灵0.2包0.95驱2.06溜6肝0.99淘98归1.85怖0.81狼振难型旨棵Ⅱ矿0.06求6酷0.04就6抱0.09爆8付0.00晒012冤0.07桨9私0.19床时程反应甩分析牺为了比较欲两种隔震泉位置不同冶结构的隔阁震效果，放使花用仁SAP2唐00摆0档通用计算界程乐序哄[5尿]灾对亩A抢、晒B塘、棒C撤三种结构歼进行地震绵反应时程晚分析，采编用如前所波述绍的险3卸条实午测撑Ⅱ驴类场地土粉地震波，蚊结构反应森取平均值后。集在相当于度地震烈度它为庙7恼度的多遇慨地震糕（悉35cm巨/s凤2番）和罕遇薯地震猜（帆220c矮m/s济2桃）的加速翻度峰值作若用下，结奶构约0膊、格1丹、租3饶、吴5卫（挽0腿代表隔震盐层）层的鉴最大加速香度、最大哪速度、最幅大层间位斩移如直表扒3写，结构各牺层间剪力疗最大值如市图殊4苍。可见在脂相同的加障速度幅值怠作用下，伍与非隔震句结犯构止A像相比，基蔽础隔置震幸B候和层间隔碍震封C厘都大大降粉低了层间革剪力，多伯遇地震时装，基础隔舰震应B草与非隔遣震沃A驱的比值辨为皱0.2倾6锤，层间隔园震鞭C洪与非隔既震茧A卸的比值东为延0.3菊6状，罕遇地炊震时，基哀础隔瑞震拆B佳与非隔揪震尼A择的比值熟为掏0.1辫8搬，层间隔龟震留C光与非隔理震幼A懒的比值做为缘0.2侄7皇，隔震效屋果随输入盖地震波幅医值的增加呜而增加。册基础隔馅震迅B沫结构加速吸度、速度浆分布均匀妙，近似刚洒体运动，柿与非隔震超结镇构振A蒙比较，加丈速度减小优，速度增尚大，位移而主要集中合在隔震层倦，底层框咱架层的层吴间位移减翁小，在罕序遇地震作料用下接近痰非隔震结声构最A嚷在多遇地短震作用时想的层间位灿移，可以剩认为处于腾弹性工作杜状态。层欺间隔肝震捷C饥结构在隔搏震层以上特加速度、枪速度变化饶规律同基伶础隔震，弦隔震层以拌下由高频丸振型控制弄，与非隔贸震结登构问A岭比较，加滑速度有放屋大的效果朴，速度有哈缩小的效鄙果，位移干仍主要集路中在隔震叙层，底层工框架层的旷层间位移竞在罕遇地从震作用下售接近非隔讽震结汪构晋A扔的多遇地亮震作用时山的层间位洋移，可以保认为处于才弹性工作朵状态。此表拢.3仅7肿度地震反裕应最大值牛类型逐楼层孩加速驴度原/m/保s钟2懒速联度获/m/触s绢层间位越移优/mm持A辣1拥2.93央7(0甲.467厚)句0.07衬5(0钢.012备)尖2.60紧4(0地.413沫)用3胳4.27杠3(0壳.679耳)笨0.12榆4(0裤.02)包0.77贴3(0搜.122估)杜5吼4.86搬3(0印.772序)贺0.14坚2(0以.023并)屋0.17川4(0夸.027昏)垄B赖0瓜0.71兔8(0多.165既)景0.27注8(0梨.046鸦)炸65.3惊80(娃8.94胡8)赚1萄0.72难3(0斜.166筛)出0.28们0(0缴.047顾)抗0.46属7(0骆.108狗)末3臂0.72眯8(0核.167易)衡0.28间1(0域.047址)绣0.11碰9(0举.027玩)习5资0.73哈0(0释.168肢)灰0.28浮1(0信.047张)括0.02甜5(0湖.006限)怜C素1乓3.31窑(0.利515)炒0.02睡3(0祖.004积)砌0.69斥7(0禽.148昌)丧0俗0.92趣3(0呀.210古)捡0.29义9(0智.051羊)惕66.3翁2(8谷.582监)伸3馒0.91魄7(0素.208厕)蛙0.30诱0(0翼.052窑)伟0.15声2(0太.034孕)管5友0.92笋3(0链.214拍)篇0.30庄1(0鱼.052霸)箩0.03字2(0沿.008练)爪注：括号蔑内为多遇目地震的反亲应值图4最大层间剪力(KN)(a)7度多遇地震(b)7度罕遇地震楼层楼层杨对赔B之、括C能结构进泛行欲8帖度罕遇地出震作用下功的时程分慧析，结赤构嘴0炕、贝1瑞、献3疮、氏5帝（谎0消代表隔震耐层）层的遇最大加速响度、最大召速度、最应大层间位全移、最大煎层间剪力诸如竞表耻4证图4最大层间剪力(KN)(a)7度多遇地震(b)7度罕遇地震楼层楼层图表泡.4县8桑度地震反掏应最大值烧类型谨楼层地加速螺度潜/m/愧s驾2妨速羽度肾/m/河s古层间位孟移冒/mm恼层间剪榴力市/kN题B抢0码1.34偏3钢0.52秀7镇129.进69捞3174含1捐1.34励6摘0.53诊0旋0.87休0大2632汉3幼1.34叹7团0.53稿2务0.22仁0惭1438损5俭1.34刑9啊0.53贞3沉0.04膊0伶307届C趴1战6.12字1饰0.04档3坑1.24宜1嗓3770闸0鼠1.69悠5计0.57渣7吸130.沈230盗3200建3尸1.68膝9挨0.57跌9刘0.28锋0健1811殊5乖1.70排1集0.58略0枕0.06僻0聪385波在警8期度罕遇地泰震作用下勿，与非隔怎震结叹构蠢A姑在碰7雅度罕遇地冈震作用下弄相比，基角础隔租震猴B令与非隔为震漂A梯的结构底爬部最大剪宅力比值头为富0.3秃3她，层间隔射震尼C始与非隔骄震亩A编的比值脱为排0.4言8尽，地震作园用减荣小梯50滔%封以上，底照部框架层绕间位爽移获B但为贼0.87骄m嚼m握，亲C课为番1.24兼1m棍m掘，小宇于乡7刃度罕遇地液震作用下狗的位叛移盟2.60穗4m蚕m供，考虑到评原结构等按湿7特度地震烈晓度设计满笑足要求，得故结构处颈于安全状奔态。隔震伙层的层间跟位移分别灾为蒙129.迎69m撑m之、准130.陆23m诵m谣，抖小于自阻天尼铅芯橡竿胶隔震支司座铺ZD40谦0世型设计最视大水平位宵移森200m升m型，故隔震蹦支座赴在活8险度地震烈逝度作用下饿也满足要业求。综上古所述，狠采用隔震爪后，两种谊情应况践B攀和赖C生均可满血足六8纯度设防烈摔度的要求孤，即原结绒构可降低策一度进行阔设计。磁地震反应立的波动性锄在三种同楚场地土的蔑地震波作痛用下，结辨构的反应摘有很大的花波动，文途中进行了泊变异性分沸析。非隔国震结巡构泪A总的变异系奇数最小，侵平均心在犹0.匀1互左右，基喘础隔枝震领B虽的变异系存数约朗为熟0.3惹6状，层间隔葛震尼C击隔震层以菌上部分的刚变异系数西约专为艰0.4在3泳，底部框巴架的变异菊系数约昨为寸0.2框4话，这表明固采用隔震剖措施后，篇结构反应兽对地震波便更加敏感委，尤其是较层间隔震粘，因此隔才震设计时沫必须选用漂与实际场毁地土接近态的地震波黎，并应选鱼用多条地薄震波。结论惯通过层间遍隔震、基福础隔震、蚕非隔震底醋部大空间着结构地震姻反应的比房较研究，糕可以看出始，采用隔洪震措彼施后，可闲以有效地砍减小地震硬作用，基货本上消除售了底部框诵架房屋上逆下刚度相榆差过大的艳影响，大妨大提高了掀结构的安文全度。与屋基础隔震浙相比，层和间隔震虽聋然隔震效累果稍逊，罚考虑到层渠间隔震不恩需在结构球周边设置僚防震缝，东可大大简死化建筑构千造处理，家因此在一陶定情况下调仍是很好搞的选择。演同时通过把结构反应膨的波动分躁析，可知艘，隔震结均构的地震套反应对地哪震波更加娘敏感，设纹计时应更针加慎重。参考文献扬姚谦峰、毕王建强，蹦咸阳市房侧地局基础酷隔震综合证住宅楼地缩震反应分学析匪[J壳]棉，工业建膛筑，馋2003勉,33红(9):羊35-穗38窗魏德敏、吊康锦霞，避基础隔震戚底框砖房脏的三维地早震响应分牢析待[J青]丙，工业建即筑，畜2003乘,33到(12)狼:49慢-51码关罡、李至和平、叶秒萍，底层删框架砌体拿建筑隔震蛮控制研晒究骆[J币]幻，世界地匠震工程根，艘200笨3盯，寸1泳9廉（气2抱）捧：热79-8姥