高層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的混合控制

高層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的混合控制

隔震技術(shù)在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用20世紀(jì)下半葉，隔震建筑在世界范圍內(nèi)被廣泛使用。2008年汶川地震之后,建筑物的抗震需求,已經(jīng)越來越多的引起國人的關(guān)注,隔震建筑也在逐漸的被社會(huì)所認(rèn)可。與非隔震結(jié)構(gòu)相比,隔震建筑通過隔震層阻隔并耗散了大部分的地震能量,隔震層由于其剛度低、阻尼高的特點(diǎn)對于上部結(jié)構(gòu)來說相當(dāng)于一道柔軟的屏障,通過隔震層的變形有效減少了上部結(jié)構(gòu)物的地震損失。同時(shí)由于隔震層所采用的隔震支座抗拉壓性能的限制,隔震技術(shù)目前多應(yīng)用于多層建筑。高層建筑的隔震目前仍是國內(nèi)外專家學(xué)者廣泛研究的課題,目前許多專家做了深入研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卣鸩ǖ念l率成分豐富或遭遇罕遇地震時(shí)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)相對還是較大,因此常采用混合隔震的控制方法。如譚平等針對某實(shí)際工程采用了混合隔震控制的設(shè)計(jì)方法;J.N.Yang等對橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了混合隔震控制的研究。本文利用有限元軟件SAP2000建立了附設(shè)黏滯阻尼器的高層隔震建筑的有限元模型,對其在地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步的數(shù)值分析和模擬。1建筑物傾覆問題我國現(xiàn)行抗震規(guī)范GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》),針對多層和高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求做出了明確規(guī)定?！兑?guī)范》6.1.1條針對現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的結(jié)構(gòu)類型和最大高度有如下規(guī)定規(guī)定(本文僅摘錄框架結(jié)構(gòu)):其目標(biāo)是保證高寬比較大的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在地震中的安全。而傾覆問題是其中的關(guān)鍵,也是建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分的重要環(huán)節(jié)。JGJ3—2002《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》規(guī)定:抗傾覆力矩應(yīng)大于傾覆力矩。對于采用基礎(chǔ)隔震的隔震建筑,隔震裝置的豎向剛度相對較小,建筑物傾覆的危險(xiǎn)性較大,且隔震裝置(疊層橡膠墊)屬于承壓型,如果出現(xiàn)了拉力,建筑物的危險(xiǎn)性就將大大增加。因此對高層鋼筋混凝土框架基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)有必要對其抗傾覆問題進(jìn)行研究。2隔震結(jié)構(gòu)不傾覆的充分條件對于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu),隔震層的變形和受力都有特殊的要求.就疊層橡膠墊隔震系統(tǒng)來說,為防止隔震結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆以及保證隔震層繼續(xù)發(fā)揮隔震作用,一般采取以下兩種條件作為隔震結(jié)構(gòu)絕對不傾覆的充分條件:(1)隔震層邊緣的橡膠支座不出現(xiàn)拉應(yīng)。(2)隔震層另一側(cè)邊緣的橡膠支座的最大壓應(yīng)力不超過容許值。3獨(dú)立能耗裝置高距離地震結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析3.1結(jié)構(gòu)的基本假設(shè)(1)假定隔震支座布置對稱。(2)假定隔震支座的水平剛度和豎向剛度與隔震支座面積成正比。3.2震作用兩部分作用在地震作用下,有水平地震作用和豎向地震作用兩部分組成。根據(jù)基本假定(1)和(2),在設(shè)置隔震建筑的隔震層過程中選取相同直徑的橡膠墊,且橡膠墊均勻布置。3.3橡膠墊彈性模量的確定地震中,水平地震動(dòng)作用在隔震層形成傾覆力矩MV,其表達(dá)式為:式中:x″g為地面加速度;x″i為第i個(gè)自由度對地面的相對加速度;n為結(jié)構(gòu)的層數(shù);hi為第i層樓面與橡膠墊底部的高度。由圖1可求得,單個(gè)橡膠支座的豎向剛度KL:其中:EL、AL和hL分別為橡膠墊的彈性模量、面積和高度,半徑內(nèi)沿長度方向的橡膠墊數(shù)量為n。隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Kθ為:設(shè),則隔震層的轉(zhuǎn)角θy:橡膠支座的變形Δ:橡膠支座受力fm:3.4結(jié)構(gòu)絕對加速度豎向地震作用下,結(jié)構(gòu)豎向力由重力和豎向慣性力組成:其中:g為重力加速度;z′+z″是由豎向地震作用引起的結(jié)構(gòu)絕對加速度。因此,總的豎向力為:則沿長度方向的橡膠墊在豎向地震荷載作用下的受力可以表示為:根據(jù)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆假定,我們可以通過式(10)和式(11)來確保橡膠支座的穩(wěn)定性。3.5阻尼系數(shù)和能耗方向的剛度黏滯阻尼器是一種速度相關(guān)型阻尼器,其力與位移和速度的關(guān)系可以表示為:式(12)可以簡化為:fd=CVα。式中:C為根據(jù)需要設(shè)計(jì)的阻尼系數(shù);V為阻尼器活塞相對阻尼器外殼的運(yùn)動(dòng)速度,一般情況取阻尼器的相對速度;α為阻尼器設(shè)計(jì)的阻尼指數(shù),當(dāng)在以抗震為主的建筑物中使用時(shí),α取0.15~0.25之間。黏滯阻尼器在耗能方向的剛度按照《規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。Kd為支撐構(gòu)件在阻尼器方向的剛度;CV為相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的線性阻尼系數(shù)。4計(jì)算模型4.1基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),總層數(shù)15層,層高均為3.6m,跨度5.4m。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu),隔震層選用疊層橡膠墊隔震系統(tǒng)。設(shè)防烈度為8度,場地類別為II類,設(shè)計(jì)地震分組為第2組。采用有限元分析軟件SAP2000建立結(jié)構(gòu)模型,如圖2所示。4.2試驗(yàn)墊的材料參數(shù),主要考疊層橡膠墊采用和泰公司產(chǎn)品,經(jīng)對無控結(jié)構(gòu)的計(jì)算,選用直徑800mm的疊層橡膠墊,具體性能參數(shù)參閱產(chǎn)品說明。通過對隔震結(jié)構(gòu)的分析,可以發(fā)現(xiàn)隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下,易沿著短軸方向發(fā)生傾覆。所以,黏滯阻尼器添加在縱向邊框架之中,與斜撐串聯(lián)后安裝到結(jié)構(gòu)中,具體布置方式見圖2。4.3阻尼運(yùn)動(dòng)方程式中:M、K與C分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣與阻尼矩陣;x為位移向量;為地面加速度;u為控制力;Mg與b分別為外部激勵(lì)作用矩陣與控制力位置矩陣。由于添加了黏滯阻尼器的上部結(jié)構(gòu)和隔震系統(tǒng)具有明顯不同的阻尼,所以運(yùn)動(dòng)方程有著與經(jīng)典阻尼體系不同的阻尼矩陣C。引用分區(qū)Rayleigh阻尼模型,將結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣表示為:式中,C0代表Rayleigh阻尼矩陣,其表達(dá)式為:Cr代表非比例阻尼的余項(xiàng)阻尼矩陣,其表達(dá)式為:其中:mb、kb分別為隔震層的質(zhì)量和剛度;Cd為阻尼器設(shè)計(jì)的阻尼系數(shù)。采用Newmark積分法求解,求出結(jié)構(gòu)在地震作用下的時(shí)程反應(yīng)。4.4模型參數(shù)的選取為了比較直觀的對比分析,分別建立模型1為無控結(jié)構(gòu)、模型2隔震結(jié)構(gòu)、模型3耗能隔震結(jié)構(gòu)的3種結(jié)構(gòu)形式。通過模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和周期,3種結(jié)構(gòu)的階自振周期見表2。由于阻尼器與建筑連接的方式及其自身的特點(diǎn),在進(jìn)行計(jì)算時(shí),我們要對黏滯阻尼器等效剛度進(jìn)行計(jì)算并在設(shè)計(jì)中加以考慮,對比3種結(jié)構(gòu)從表2可以看出,附設(shè)了阻尼器的耗能隔震結(jié)構(gòu)的自振周期相對于隔震結(jié)構(gòu)有所減小,但是仍然符合《規(guī)范》要求。在模型計(jì)算中,地震波選用了El-Centro波、Lanzhou波和Taft波。此處僅針選取El-Centro波對結(jié)構(gòu)罕遇地震下的地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析,將地震波峰值加速度調(diào)整到4m/s2(相當(dāng)于8度罕遇地震時(shí)的峰值加速度),地震持續(xù)時(shí)間12s,積分步長取0.02s,同時(shí)考慮豎向地震作用。5速度反應(yīng)時(shí)程曲線(1)地震作用下結(jié)構(gòu)各層最大加速度曲線如圖3(a)和圖3(b)所示。從圖中可以看出,在罕遇地震下,相對于無控結(jié)構(gòu),隔震結(jié)構(gòu)和耗能隔震結(jié)構(gòu)的各層最大加速度響應(yīng)顯著減少。把耗能隔震建筑與隔震建筑相比,我們不難發(fā)現(xiàn):相對于隔震建筑,耗能隔震建筑的各層最大加速度響應(yīng)從底層到頂層由下向上均勻放大,沒有明顯的拐點(diǎn),更有利于提高建筑物的抗震性能。(2)結(jié)構(gòu)頂層位移加速度反應(yīng)時(shí)程曲線由圖4(a)和圖4(b)所示,在罕遇地震下,相對于隔震結(jié)構(gòu),安裝阻尼器的耗能隔震結(jié)構(gòu)的峰值加速度反應(yīng)明顯減少,且迅速衰減。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn),耗能隔震建筑在某些時(shí)刻其頂層加速度與隔震建筑的頂層加速度方向是相反的,這體現(xiàn)了阻尼器在其工作過程中提供了抵抗建筑物地震響應(yīng)的作用力。通過阻尼器與隔震層在地震過程中協(xié)同工作,為實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)提供了有力支持。(3)圖5和圖6分別是隔震建筑和耗能隔震建筑地震作用下的基底剪力時(shí)程曲線和底層某角柱軸力時(shí)程曲線。由前文的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆假定和高層隔震結(jié)構(gòu)的受力分析可知我們所關(guān)注的隔震層的穩(wěn)定性和受力特性是建筑物抗傾覆的關(guān)鍵所在。在罕遇地震時(shí),考慮了豎向地震作用,耗能隔震建筑與隔震建筑相比,基底剪力的峰值降低了12%。選取底層某角柱作為分析對象,在罕遇地震時(shí),由式(7)~式(9)可知,橡膠墊在地震荷載作用下的受力由恒載、活載以及地震荷載三部分組成,查閱設(shè)計(jì)文獻(xiàn)可知,在我們設(shè)計(jì)工作中計(jì)算軸力時(shí)取設(shè)計(jì)公式:f=1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3地震作用作用于該柱的地震作用產(chǎn)生的軸力時(shí)程曲線顯示,附設(shè)了黏滯阻尼器的耗能隔震結(jié)構(gòu)的柱軸力的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均滿足《規(guī)范》要求,同時(shí)符合前文的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆假定。6地震阻尼器與疊層膠結(jié)充填的作用機(jī)理綜上所述,可以總結(jié)出如下結(jié)論:(1)通過附設(shè)黏滯性阻尼器,耗能隔震建筑相對于普通的隔震建筑,在抗震性能方面有所提高,通過附設(shè)的阻尼器與隔震層在地震過程中協(xié)同工作,黏滯阻尼器與疊層橡膠墊共