土木建筑网首页 > 陕西建筑 > 工程结构 > 高烈度地震区建筑隔震方法设计与分析实例

阅读 406 次 高烈度地震区建筑隔震方法设计与分析实例

摘要:本文通过有限元分析软件ETABS对其进行动力性能分析,对比了地震作用下隔震结构和非隔震结构的楼层平均剪力值、层间剪力比等,并研究了罕遇地震作用下隔震层支座位移及内力,得出与非隔震框架结构相比,底层隔震框架结构的周期延长,层剪力,位移,底层轴力均变小。说明采用隔震支座能有效地减小地震荷载对结构的不利影响,提高了结构的安全性。...

 高烈度地震区建筑隔震方法设计与分析实例

张玲 雷珂娜

柳州东方工程橡胶制品有限公司 

陕西省建筑设计研究院有限责任公司

    一、引言

    1、隔震技术及其研究和应用成果介绍

    我国地震频繁,是地震大国也是震灾大国,地震灾害对建筑物造成的损害是巨大的,为此我国就城市建筑和抗震标准进行了严格规定,但经历了汶川地震后,我们仍然看到大量建筑物倒塌以及各种程度的不可修复的损坏,特别是部分校舍的坍塌,值得我们深思。如何减轻地震灾害,特别是一些特大、突发性强的地震带来的不可预测的损失,对我们来说很重要。目前,部分发达地区和一些发达国家较为推广的并且得到验证的有效工程措施就是建筑结构的减隔震技术。因此,对高烈度地震区域的一些建筑结构仅仅局限于抗震设防是远远不够的,进行有效地减隔震保护是非常迫切的。从各国家的建筑减隔震技术应用情况来看,高于抗震设防烈度8级(0.3g)的建筑采用隔震设计,除了改善高烈度区域建筑的整体抗震性能,还可以有效地降低建筑成本。

    以某钢筋混凝土框架结构为例,采用基层隔震技术,即在上部结构和基础之间设置隔震层来降低传入上部结构的地震力。

    对该结构进行非线性时程有限元分析,优化该建筑隔震支座的设计参数和布置,同时检验该建筑在地震作用下能否满足预期的功能要求,从理论上对该建筑的减隔震效果进行研究。

    二、工程简介

    1 、工程介绍

    该建筑为7层框架结构,底层层高为4.2m,顶层楼梯间层高为4.5m,其余层层高均为3.9m,总高度为28.15 m,高宽比为2,建筑平面长度较大。采用钢筋混凝土框架结构,设计使用年限为50年,丙类建筑。该建筑场地地震基本烈度为8度、设计基本地震加速度值为0.30g,设计地震分组为第二组,场地类别Ⅱ类;基本风压按50年一遇的基本风压采用,取ω=0.40 kN/m2 。地面粗糙度B类。

    本项目隔震设计方案采用基础隔震,支座采用有效直径为600mm、700mm的橡胶隔震支座(其中JZY为无铅型建筑隔震橡胶支座,JZY1Q为铅芯型建筑隔震橡胶支座)。支座布置图如图1所示,支座均为橡胶隔震支座。

图1 隔震橡胶支座的平面布置图

    2、有限元计算模型

    采用有限元程序ETABS对该建筑结构进行模型建立和动力分析,模型中梁、柱采用杆单元模拟,楼板采用膜单元模拟,材料选混凝土C30,建筑结构抗震设计基础采用6个方向支点约束;建筑结构隔震设计基层支座采用塑性连接单元Isolator1来模拟,其在ETABS程序中需要定义弹性刚度、屈服后刚度比和屈服荷载。采用空间杆单元模拟梁,考虑翼缘作用影响,楼面梁刚度增大系数取1.3~2.0。该结构有限元计算模型简图如图2所示。

 

图2 结构有限元计算模型图

    3、模态分析

    利用Ritz向量法分别对隔震结构和抗震结构进行动力分析,分别求出前20阶的阵型和周期,抗震结构第一扭转周期与第一平动周期之比为0.88,抗震性能良好;比较前三阶周期如表1所示,多遇地震下隔震结构周期是抗震结构周期的3倍多,有效避开地震地面运动的主要携能频带范围,隔震层在罕遇地震时,变形增大,刚度减小,基本周期将进一步延长,减少传入上部结构的地震响应,达到很好的隔震效果。

表1 结构周期对比表

振型

抗震周期/(s)

隔震周期/(s)

周期放大倍数

1

0.98

3.00

3.07

2

0.92

2.97

3.21

3

0.87

2.70

3.10

     三、分析用地震波

    在进行该建筑的地震时程响应计算时,我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定,应采用多条地震波进行计算分析,在时程分析时地震波的选取必须按照场地类别和设计地震分组选用不少于三组的强震记录,当取七组及七组以上的时程曲线输入时,计算结构可取时程法的平均值。该结构选取7条地震波进行时程分析。分别是5条天然波:Elcentro波、EUR波、Northbrige波、SAN波和Taft波,两条人工波:RGB1波和RGB2波。在弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得结构底部剪力均超过振型分解反应谱法计算结果的65%,结构底部剪力的平均值均达到振型分解反应谱法计算结果的80%以上。

    四、时程分析结果

    1、多遇地震下的结果分析

    结构输入抗震设防烈度8度,设计基本地震加速度地震波,时程分析结果得出抗震结构和隔震结构的地震响应,比较抗震结构和隔震结构的楼层剪力平均值(如表2所示),和层间剪力比值(如表3所示),从各层剪力比值可以看出,水平地震影响系数最大值为0.33。由《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)12.2.5条中公式可计算出隔震后结构计算结构地震作用时的地震影响系数最大值为0.096,根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)12.2.7条可得出采用隔震技术后上部结构的构造措施可降一度设防烈度进行设。

表2  结构层间剪力平均值/(KN)

 

楼层

抗震各层剪力/(kN)

隔震各层剪力/(kN)

X向平均值

Y向平均值

X向平均值

Y向平均值

8

549

416

128

123

7

8224

7858

1744

2003

6

12650

11665

2597

2976

5

15495

14087

3275

3519

4

17934

16771

3979

3973

3

20511

19400

4558

4441

2

22394

21413

5137

5032

1

22475

22001

7141

7137

表3  层间剪力比

楼层

X向平均值

Y向平均值

MAX值

8

0.22

0.29

0.29

7

0.21

0.24

0.24

6

0.20

0.25

0.25

5

0.22

0.25

0.25

4

0.24

0.24

0.24

3

0.24

0.24

0.24

2

0.24

0.24

0.24

1

0.33

0.33

0.33

    2、隔震设计安全性评估

    在罕遇地震作用下,隔震层层位移量,如图表4所示。

    按照隔震支座的极限水平变位应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值进行验算,罕遇地震作用时隔震层最大层间位移285mm<330mm,可以满足隔震支座高度在罕遇地震作用下的可靠性和稳定性。罕遇地震作用下,对隔震结构下部结构进行分析,隔震支座节点编号如图1所示,计算各种工况下最大轴力值(如表5所示)和最小轴力值(如表6所示)。

表4支座位移响应/(mm)

地震波

X向位移/ (mm)

Y向位移/ (mm)

最大

最小

最大

最小

EL

191

-278

194

-262

EUR

220

-145

208

-138

NOR

243

-193

233

-201

RGB1

492

-288

491

-337

RGB2

526

-324

520

-376

SAN

170

-281

178

-275

TAFT

149

-168

142

-161

平均值

285

-160

281

-250

表5支座轴力极大值/(kN)

MAX

标准组合

支座编号

轴压力/(kN)

支座编号

轴压力/(kN)

45

-5603

13

-5150

30

-3712

14

-5275

29

-3929

18

-5212

28

-4116

19

-5084

27

-3998

20

-5084

26

-4155

21

-4941

25

-3991

15

-4709

24

-4023

16

-4780

23

-3760

17

-4683

43

-4316

42

-7539

44

-3804

32

-5445

31

-3554

34

-6726

22

-3995

39

-6715

11

-4763

40

-6623

12

-5051

41

-6391

    隔震支座在罕遇地震作用下支座压应力满足隔震设计要求。

    通过对隔震支座轴向力进行组合,验算隔震支座是否出现拉力情况,满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)隔震支座在罕遇地震作用下支座拉应力小于1MPa的要求。

表6支座极小值/(kN)

MAX

标准组合

支座编号

轴压比

支座编号

轴压比

45

-2516

13

-746

30

-1353

14

-870

29

-1645

18

-1009

28

-1668

19

-941

27

-1775

20

-747

26

-1752

21

-396

25

-1807

15

-838

24

-1722

16

-885

23

-1747

17

-903

43

-440

42

-510

44

-826

32

2

31

-1557

34

-755

22

-1930

39

-919

11

-314

40

-998

12

-513

41

-1043

    隔震支座在罕遇地震作用下支座拉应力小于1MPa,满足隔震设计要求。

    五、结论

    1、通过模态分析可得出,隔震结构相比较于抗震结构周期大大增加,周期越大,结构的基本周期越好地规避建筑场地的卓越周期,减弱地震对结构的动力响应。

   (2)通过依次对抗震结构和隔震结构依次输入x,y方向的7条地震波进行地震反应分析,得到多遇地震作用下的各层剪力比,隔震结构各楼层间剪力比抗震结构各楼层剪力均减小,橡胶支座隔震结构能较好地降低结构水平地震反应,减小了地震对结构的动力响应。

   (3)隔震建筑隔震层以上的结构在8度(0.3g)设计地震作用下各楼层地震剪力,均小于未隔震结构在8度(0.3g)设计地震作用下楼层地震剪力的0.33倍。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的规定,本工程隔震层以上结构的水平向地震影响系数取为0.096,即隔震层以上结构可降低1度进行抗震设防。

   (4)结果给出隔震支座在罕遇地震作用下隔震层最大位移285mm,小于隔震支座的极限水平变位330mm 。隔震设防可以满足隔震支座在罕遇地震作用下的可靠性和稳定性。

   (5)隔震支座竖向承载力和受拉情况均满足规范要求。

(本文来源:陕西省土木建筑学会    文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)

关于 高烈度 地震区 建筑 隔震 设计 分析 的相关文章