多層框架結構基礎隔震有限元分析

任小朋,孫華忠

(1.西南石油大學土木工程與建筑學院,四川 成都 610500;2.中國有色金屬工業第六冶金建設有限公司,河南 鄭州 450000)

多層框架結構基礎隔震有限元分析

任小朋1,孫華忠2

(1.西南石油大學土木工程與建筑學院,四川 成都 610500;2.中國有色金屬工業第六冶金建設有限公司,河南 鄭州 450000)

以一幢8層框架結構的隔震建筑和傳統抗震設計建筑的抗震效果進行分析對比,應用ABUQUS軟件建立框架計算模型,分別采用普通疊層橡膠支座(RB)和鉛芯橡膠支座(LRB)作為隔震裝置的基礎隔震2種隔震抗震方案,對其框架結構模型的底部輸入El-centro形地震波.分析結果表明,RB方案與LRB方案的抗震效果均優于傳統方案,且RB方案抗震效果略好于LRB方案.

框架結構;基礎隔震;地震波;有限元分析

0 引 言

傳統的建筑抗震設計只能保證結構本身具有足夠的強度、剛度和延性,其弊端是:一方面,沒有塑性變形能力的結構遭受大地震時,容易發生脆性破壞,造成人員傷亡;另一方面,有一定柔性的結構可以保證人身安全,但發生震災后也會造成結構傾斜,以致地震后不能維持其功能.建筑結構振動控制技術將從根本上克服傳統方法的不足[1].近20年來,現代隔震技術在土木工程中得到了較大規模的應用[2].其中,基礎隔震通過延長結構基本周期,達到消耗地震輸入能量,從而降低結構的地震反應,其比傳統結構抗震效果具有更好的抗震性能[3].目前,疊層橡膠墊隔震裝置和鉛芯疊層橡膠支座這2種隔震抗震裝置在框架結構抗震中具有一定的優勢.本研究采用有限元軟件ABAQUS對這2種抗震方案進行分析并比較,為框架結構的基礎隔震抗震設計提供一定的設計參考.

1 基礎隔震框架結構數值模型建立

1.1 基礎隔震研究思路

利用有限元方法分析基礎隔震,計算模型主要采用以梁單元為基本單元劃分的數值模型.以梁單元為計算基本單元有著非常明顯的優點,計算簡便,耗時少,準確性更高,并且梁單元在分析過程中將忽略截面形狀,直接使用截面屬性上的特征量來分析梁單元上的應力.此外,由于現有計算機硬件的不足,分析只局限分析框架結構的線性響應,而不考慮非線性條件,同時采用等效方法[4]將鋼筋混凝土材料等效為一種橫觀各向異性材料,大大減少了計算.

本研究分析基礎隔震的支座采用普通疊層橡膠支座(RB)和鉛芯疊層橡膠支座(LRB),在ABAQUS中該2種橡膠支座近似等效為彈簧單元,則2種支座僅在彈簧單元等效剛度的計算以及剛度上有所區別.另在地震波的施加上,采取地震加速度,并且僅分析0～1 s內的地震波對建筑的影響.分析假定地基為剛性基礎,隔震裝置RB和LRB均為線性元件,整個研究均不涉及非線性部分討論.

1.2 有限元分析對象

本研究以一8層鋼筋混凝土框架結構辦公樓作為有限元分析對象,該建筑物層高為,第一層4.0 m,第二層至第8層均為3.6 m;框架柱截面尺寸為,1～2層0.55×0.55 m2,3～4層0.50×0.50 m2,5～8層0.45×0.45 m2,混凝土編號為C30;樓層梁斷面為,0.25×0.65 m2,走道梁斷面為0.25×0.40 m2,混凝土編號也為C30.建筑結構平面圖如圖1所示.

圖1 建筑結構平面圖

1.3 材料等效計算處理

模擬對象為一棟8層樓的鋼筋混凝土樓房,采用梁單元進行建模,其計算模型如圖2所示.

圖2 2種結構抗震計算模型

由于不能像建立實體單元模型那樣將鋼筋作為實體插入梁柱構件內部,因此需要對材料的性質進行等效,等效計算結果為,=4 007 g/cm3[5].對于疊層橡膠支座,不考慮水平變形,不計入支座的抗彎作用和軸向變形,僅考慮水平剪切作用,采用彈簧單元代替橡膠支座,經過計算可得等效的彈簧單元剛度為,RB,KR=756 KN/m;LRB,K1=4 158 KN/m[6].

1.4 地震波數據

地震波是以在基底上施加地震波加速度來實現的,在地震波的施加中,僅取0～1 s的地震波進行研究(見圖3),并將地震波劃分為100份,每0.01 s具有一個幅值[7-8].

圖3 地震波的選取

1.5 2D建模并運算

本研究采用2D建模,取其正面采用ABAQUS有限元分析軟件進行運算分析.2D建模側面圖如圖4所示.

圖4 側面2D建模圖

2 結果分析

為了便于比較,對于模型分別考慮:采用普通疊層橡膠支座隔震(RB方案)、鉛芯橡膠支座隔震(LRB方案)及傳統結構方案;采用El-centro(N-S,1940)波如圖3,其卓越周期為0.55 s左右;取2D側面中右上角一點作為集,根據其運算結果歷程分析中的最大加速度響應和最大層間位移值比較來進行結果分析.

2.1 最大加速度響應分析與比較

1)X軸方向.X軸方向3種方案的加速度響應如圖5所示.

圖5 X軸方向3種方案的加速度響應

2)Y軸方向.Y軸方向3種方案的加速度響應如圖6所示.

圖6 Y軸方向3種方案的加速度響應

3)加速度響應比較.根據圖5、6數據得到3種方案加速度響應比較如表1所示.

表1 3種方案加速度響應比較/(m/s2)

從表1數據可知,3種方案中,傳統結構抗震方案所取集的加速度最大,RB普通疊層橡膠支座方案的加速度最小,即RB方案效果最佳.

2.2 最大層間位移變形分析與比較

1)X軸方向.X軸方向3種方案的層間位移變形如圖7所示.

圖7 X軸方向3種方案的位移

2)Y軸方向.Y軸方向3種方案的層間位移變表如圖8所示.

圖8 Y軸方向3種方案的位移

3)位移變形比較.根據圖7、8數據得到3種方案的層間位移變形比較如表2所示.

表2 3種方案位移變形比較/(m)

從表2數據可知,3種方案中,傳統結構抗震方案所取集的位移最大,RB普通疊層橡膠支座方案的位移最小,即RB方案效果最佳.

3 結 語

1)與傳統抗震方案比較,RB隔震方案可以大大降低建筑物上部結構的最小層間變形及加速度、位移響應,建筑物上部結構運動近似于剛體運動,能夠保證結構在地震作用下上部結構均處于彈性,降低了結構的地震慣性力.

2)采用LRB隔震方案,從建筑物上部結構的最小層間變形和加速度響應看,較之傳統方案要小得多.在地震時,LRB隔震方案即普通疊層橡膠支座隔震方案的隔震墊能夠產生柔性變形,可大大減弱水平地震影響.

3)通過結果分析可知,RB方案與LRB方案,均優于傳統方案,且RB方案的效果比LRB方案略好.

[1] 張述勇.結構抗震基本知識[M].北京:清華大學出版社,1997.

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Finite Element Analysis of Base Isolation of Multilayer Frame Structure

REN Xiaopeng1,SUN Huazhong2
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.The No.6 Metallurgical Construction Co.,Ltd.,China Nonferrous Metals Industry,Zhengzhou 450000,China)

The latest building seismic design code includes the isolation structure design.The further research on the base isolation standardization process of building structure becomes the development trend of the future building seismic design.In this paper,time-history analysis method was used to analyze the multilayer frame isolation building in the earthquake under the action of seismic effect.We analyzed and compared seismic effects for both the actual isolated building of eight-layer frame structure and the traditional seismic building,and established the framework computing model by ABUQUS software.The ordinary laminated rubber bearing(RB)and lead core rubber bearings(LRB)were taken respectively as the basic seismic isolation scheme and then El-centro seismic wave was imported into the bottom of the frame structure model.The analytical results about seismic performance show that both RB and LRB schemes are superior to traditional scheme and RB scheme is slightly better than LRB.

frame structure;base isolation;seismic wave;finite element analysis

TU352.12

A

1004-5422(2013)01-0075-03

2012-12-20.

任小朋(1981—),男,碩士研究生,從事工程結構抗震防災研究.