大底板多塔结构混合隔震控制体系的地震响应分析

大底板多塔结构混合隔震控制体系的地震响应分析

最近，世界地震活动频繁，四川地震、地中海地震和智利地震导致巨大损失和巨大损失。由于地震的不确定性，我们现在主要的抵抗地震手段是提高建筑物的抗疲劳动性能，并尽可能在地震发生时救人类的生命和财产。近年来，国内外提出的最基本的地震探测技术是一种相当实用的地震探测控制体系，在多层建筑中得到了广泛应用，并经过了地震实践的验证。针对大底板多塔楼结构,我们引入隔震—减震相结合的结构设计新思路,将现代减震控制技术应用到大底板多塔楼这一类复杂的结构中.以某实际工程为研究对象,利用有限元软件matlab和sap2000建立了附设耗能装置的结构有限元模型,对其在地震作用下结构的动力响应进行了力学分析和数值模拟.1非线性时程分析1.1约束机构的振动模型对于大底板多塔楼结构,其上部结构的各个塔楼是较柔的多层结构,其层间刚度较小,并且结构刚度中心和质量中心基本重合,地震发生时,上部结构的地震响应宜按多质点体系进行分析.由于叠层橡胶垫隔震装置的竖向刚度远远大于它的水平刚度,因此在动力分析时,近似认为基础隔震结构只作平动,同时忽略隔震层的竖向变形引起的摆动.结构刚度按层间剪切模型计算,可简化为层间剪切模型:结构刚度中心和质量中心重合,以1个楼层为基本单元,把每层的竖向构件合并为1根竖杆,用楼层的等效剪切刚度作为竖杆的层刚度,并将上部结构的恒、活荷载按一定比例组合后集中于各层楼的楼盖处作为1个质点,从而形成“串联质点系”振动模型.模型的基本假定有:(1)楼盖在其自身平面内刚度为无穷大;(2)结构中水平构件的刚度为无穷大,不产生竖向剪弯变形;(3)结构中的竖向构件在水平荷载作用下不产生轴向变形;(4)不考虑上下楼层之间力和变形的相互影响,模型的层间刚度仅决定于楼层各竖向构件的刚度.整个结构如图1所示.时程分析计算模型如图2所示.1.2相对于隔震层的位移结构体系的运动方程为式中M、K与C分别为整体结构的质量矩阵、刚度矩阵与阻尼矩阵;X为位移向量;x¨x¨g为地面加速度;U为控制力.方程(1)中,Mg与b分别为外部激励作用矩阵与控制力位置矩阵.方程(1)中式中mb为隔震层的质量;MA与MB分别为1号塔楼与2号塔楼的质量矩阵.xp为底板相对地面的位移反应;xb为隔震层的层间位移;XA表示1号塔楼相对于隔震层的位移;XB为2号塔楼相对于平台顶的位移.I1A与I1B分别为上部2个塔楼各自的地震影响系数.整体刚度矩阵由各子结构的刚度矩阵组成,其中KA与KB分别为1号塔楼与2号塔楼的刚度矩阵,为线弹性的,kb为隔震层的刚度矩阵,考虑为双线性.由于添加了粘滞阻尼器的上部结构和隔震系统具有明显不同的阻尼,所以运动方程有着与经典阻尼体系不同的阻尼矩阵C.引用分区Rayleigh阻尼模型,将结构的阻尼矩阵表示为C=C0+Cr+Cd,(2)式中C0代表Rayleigh阻尼矩阵,其表达式为C0=αsM+βsK,(3)Cr代表非比例阻尼的余项阻尼矩阵,其表达式为其中m1、k1分别为隔震层的质量和刚度,Cd为阻尼器设计的阻尼系数.混合控制结构体系增量形式的结构运动方程可表示为采用Newmark积分法求解,结构的位移与速度增量可表示为式中α与δ为决定积分准确性与稳定性的参数.方程(5)位移增量可由下式求解与ΔP¯¯¯Ρ¯分别为等效刚度与等效荷载增量,其中速度增量可以由下式求解直接从结构的动力增量平衡方程(5)求解加速度增量通过上述积分步骤可求出结构在地震作用下的时程反应.2振动装置与能源设备的选择2.1振动装置的选择对无控结构首先进行隔震设计,选用叠层隔震支座型号及性能指标如表1所示.2.2粘滞阻尼器的刚度选用粘滞阻尼器作为耗能装置附设于上部结构,与叠层橡胶支座协同工作.粘滞阻尼器是一种被动的无刚度速度相关型阻尼器,安装后不影响结构物的振动周期.在结构层间位移为0,且速度最大时出力最大,在结构物层间位移最大时,速度为0,即杆件内力最大时出力最小,此特性使粘滞阻尼器在贡献阻尼力减低结构反应时,不会增加结构物的负担.粘滞阻尼器力与位移和速度的关系可以表示为式中Cd为根据需要设计的阻尼系数,V为阻尼器活塞相对阻尼器外壳的运动速度,一般情况取阻尼器的相对速度.α为阻尼器设计的阻尼指数,当在以抗震为主的建筑物中使用时,α取0.15～0.25之间.粘滞阻尼器在耗能方向的刚度按照国家“建筑抗震设计规范第12.3.6-1”中Kd=(6πT1)CVΚd=(6πΤ1)CV进行计算.Kd为支撑构件在阻尼器方向的刚度;CV为相应于结构基本自振周期的线性阻尼系数.3大底板形式.某工程主体为8层,分为1号、2号2个塔楼,2塔楼间设置变形缝,隔震层采用大底板形式.2个塔楼平面均为矩形,框架结构,楼盖为梁板体系,基础采用桩基础.建筑平、立面尺寸见表2.设防烈度8°,设计分组第2组,设计基本加速度0.20g.场地土Ⅲ类,场地特征周期取Tg=0.5s,不考虑近场影响.3.1模型计算中地震波的确定为比较直观的对比分析,分别建立模型1为无控结构、模型2基础隔震结构、模型3耗能隔震结构的3种结构形式.通过模态分析可以得到结构的自振频率和周期,3种结构的自振周期见表3.由于阻尼器与建筑连接的方式及其自身的特点,在进行计算时,我们要对粘滞阻尼器等效刚度进行计算并在设计中加以考虑,对比3种结构,从表2可以看出附设了阻尼器的耗能隔震结构的自振周期相对于隔震结构有所减小,但是仍然符合国家建筑抗震设计规范的要求.在模型计算中,地震波选用了ELCentro波对结构罕遇地震下的地震动响应进行分析,将地震波峰值加速度调整到4m/s2(相当于8°罕遇地震时的峰值加速度),地震持续时间30s,积分步长取0.02s,同时考虑竖向地震作用.3.2能耗隔震建筑与隔震建筑的地震反应特性(1)结构各层最大位移与顶层位移加速度反应时程曲线如图3、图4所示.在罕遇地震下,相对于无控结构,安装阻尼器的耗能隔震建筑与基础隔震建筑的各层最大位移相对较大,但是各层的峰值加速度反应明显减少,且迅速衰减.同时不难发现,耗能隔震建筑在某些时刻其顶层加速度与隔震建筑的顶层加速度方向是相反的,这体现了阻尼器在其工作过程中提供了抵抗建筑物地震响应的作用力.通过阻尼器与隔震层在地震过程中协同工作,为实现抗震设防目标提供了有力支持.(2)地震作用下结构隔震支座的最大水平位移如表4所示.从表4中可以看出,在罕遇地震下,相对于无控结构,隔震结构和耗能隔震结构的结构隔震支座的最大水平位移显著减少.(3)隔震建筑和耗能隔震建筑地震作用下的底层某角柱轴力时程曲线见图5.在罕遇地震时,耗能隔震建筑与隔震建筑相比,选取底层某角柱作为分析对象,作用于该柱的地震作用产生的轴力时程曲线显示,附设了粘滞阻尼器的耗能隔震结构的柱轴力峰值减小了33.29%.4粘滞阻尼器与叠层橡胶垫的结合综上所述,可以得出如下结论:(1)通过附设粘滞性阻尼器,耗能隔震建筑相对于普通的基础隔震建筑,抗震性能有所提高,通过阻尼器与隔震层在地震过程中协同工作,粘滞阻尼器与叠层