雷慶關(guān)，孫葉翔，蘇丹丹

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥230601)

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關(guān)于交錯桁架結(jié)構(gòu)增設(shè)隔震裝置的抗震分析

雷慶關(guān)，孫葉翔，蘇丹丹

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥230601)

摘要：文章結(jié)合交錯桁架體系的構(gòu)成及特點，介紹了隔震結(jié)構(gòu)的原理和隔震支座的類別，運用SAP2000分別建立混合型交錯桁架體系及增設(shè)隔振器混合型交錯桁架體系，對結(jié)構(gòu)模型進行模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析及時程分析。通過比較和分析數(shù)據(jù)顯示,交錯桁架結(jié)構(gòu)增設(shè)隔震裝置后的抗震性能有明顯改善。

關(guān)鍵詞：交錯桁架結(jié)構(gòu)；隔震器；SAP2000；消能減震

0引言

交錯桁架是20世紀中期由麻省理工學(xué)院在美國鋼鐵公司的贊助下提出的一種用鋼量少、造價相對較低、布置相對靈活的新型鋼結(jié)構(gòu)體系[1]。由于該結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部沒有布置柱子，僅由結(jié)構(gòu)四邊的柱子撐起桁架，故結(jié)構(gòu)能夠獲得較大的柱距以適用于大型的商場、酒店、旅館等建筑類型，同時，由于桁架都已經(jīng)成型，因此現(xiàn)場焊接工作的強度也會大大減少。

目前，交錯桁架結(jié)構(gòu)體系在歐美國家已得到廣泛的應(yīng)用，如澳大利亞1幢17層旅館、加拿大卡爾加里虹谷旅館、美國大西洋城的國際旅游飯店等[2]，這些國家各個方面的技藝都相對先進，尤其美國已有相應(yīng)的規(guī)范出版。但是在我國，該結(jié)構(gòu)尚處于起步階段，基本沒有工程實例。

1隔震裝置工作機理及其支座類型

隔震器和阻尼器是隔震裝置的主要組成部分。隔震器一般增設(shè)在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)間，起隔斷作用，使地震能量不能全部傳入上部結(jié)構(gòu)；阻尼器能夠提供阻尼消耗地震產(chǎn)生的能量。

隔震支座主要有疊層橡膠支座、聚四氟乙烯支座、滾子隔震支座以及摩擦擺隔震支座，本文主要介紹疊層橡膠支座。這種支座是由鋼板與橡膠板經(jīng)過高溫高壓硫化粘貼而成，因鋼板的剛度很大，橡膠層的橫向變形會受到很大的約束，故橡膠隔震支座是一款豎向承載力很強的高性能隔震裝置[3]。疊層橡膠支座如圖1所示。

圖1　疊層橡膠隔震支座

疊層橡膠隔震支座可以分為鉛芯疊層橡膠支座、高阻尼橡膠隔震支座和普通疊層橡膠支座，其中，鉛芯疊層橡膠支座在工程項目中應(yīng)用最為廣泛，它主要由上下聯(lián)結(jié)板、上下封板、鉛芯、內(nèi)部鋼板和橡膠構(gòu)成。鋼板和橡膠承擔(dān)建筑的自重，鉛芯起到抵抗剪切變形的作用，選用時應(yīng)注意橡膠和鉛芯是否結(jié)合良好，能實現(xiàn)最理想的隔震效果。鉛芯疊層橡膠隔震支座如圖2所示。

圖2　鉛芯疊層橡膠隔震支座

2模型概況

本文的結(jié)構(gòu)模型是混合型交錯桁架,共有12層,總高度39.6 m,桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點距離為3 m，總寬度21 m,柱子間距為6.5 m,總長度52 m,混凝土強度等級為C30，樓板厚度為150 mm,鋼材選用Q345。其中框架柱選用H型鋼400 mm×400 mm×18 mm×28 mm,連梁截面為H型鋼350 mm×350 mm×10 mm×16 mm,弦桿和腹桿截面分別為H型鋼300 mm×300 mm×10 mm×15 mm、 250 mm×250 mm×9 mm×14 mm。該工程采用的橡膠隔震支座外徑為500 mm，鉛芯直徑為100 mm，等效水平剛度為1 480 kN/m，等效阻尼比為27.2%。該工程為Ⅱ類場地類型，分組是第2組，8度抗震設(shè)防區(qū)。樓面、屋面荷載分別取2.5 kN/m2,樓面附加荷載取2 kN/m2。桁架結(jié)構(gòu)圖和剖面圖分別如圖3、圖4所示。

圖3　交錯桁架結(jié)構(gòu)形式

圖4　交錯桁架剖面圖

3結(jié)構(gòu)抗震分析方法

地震反應(yīng)譜分析方法和動力時程分析方法是進行結(jié)構(gòu)動力分析的2種常用方法[4]。反應(yīng)譜分析法先采用動力計算方法顯示質(zhì)點的地震反應(yīng)，然后運用統(tǒng)計的方法得到反應(yīng)譜曲線圖，最后運用靜力方法進行結(jié)構(gòu)分析，它是建立在彈性理論基礎(chǔ)上的等效靜力分析方法。

動力時程分析法又稱為動態(tài)分析法，依據(jù)采用的地震波對動力方程進行逐漸積分，能夠獲得工程構(gòu)件在地震作用下任意時刻的位移、速度以及加速度，而反應(yīng)譜法只能反映結(jié)構(gòu)最大的地震響應(yīng)，因此動力時程分析更真實地反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下的動態(tài)響應(yīng)。SAP2000運用的是快速非線性分析方法，其基本平衡方程[5]為

(1)

4結(jié)構(gòu)計算分析

4.1樓層剪力分析

模態(tài)分析是對結(jié)構(gòu)自身振動特性進行分析，算出周期和質(zhì)量參與系數(shù)，這是動力分析的基礎(chǔ)[7]。本文運用SAP2000計算出2種結(jié)構(gòu)前12階周期,2種模型的周期值對比如表1所示。

表1　2種模型周期值對比　s

由表1可知，增設(shè)隔震裝置后，在第1振型上結(jié)構(gòu)的周期達到了3.907 s，較原來的模型增加近1倍，使結(jié)構(gòu)周期避開了場地卓越周期，充分表明增設(shè)隔震裝置大大降低了地震作用產(chǎn)生的加速度、位移及內(nèi)力。

反應(yīng)譜分析所得2種結(jié)構(gòu)的樓層剪力數(shù)值如表2所示，樓層剪力對比圖如圖5所示。

表2　反應(yīng)譜分析下2種結(jié)構(gòu)的樓層剪力

時程分析所得2種結(jié)構(gòu)的樓層剪力數(shù)值如表3所示，樓層剪力對比圖如圖 6所示。

表3　El-Centro波作用下

圖6　時程分析下2種結(jié)構(gòu)的樓層剪力對比

通過表2、表3及圖5、圖6可以看出，結(jié)構(gòu)在增設(shè)隔震裝置后，樓層剪力有了明顯減小，隔震效果非常明顯。

4.2位移角分析

反應(yīng)譜分析下樓層縱向水平位移數(shù)值如表4所示，位移角包絡(luò)圖如圖7所示。

表4　反應(yīng)譜分析下2種結(jié)構(gòu)模型的層間位移角

圖7　反應(yīng)譜分析下2種結(jié)構(gòu)模型的層間位移角包絡(luò)圖

時程分析下樓層縱向水平位移數(shù)值如表5所示，位移角包絡(luò)圖如圖8所示。

圖8　時程分析下2種結(jié)構(gòu)模型的層間位移角包絡(luò)圖

由表4、表5及圖7、圖8可知：

1)在反應(yīng)譜分析下，未增設(shè)隔震裝置的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/365,遠大于增設(shè)隔震裝置結(jié)構(gòu)的1/866。此外，增設(shè)隔震裝置的結(jié)構(gòu)底部不再是固定的，隔震層的位移為40.08 mm，由于結(jié)構(gòu)的底部位移不為零，增設(shè)隔震裝置后結(jié)構(gòu)的位移主要集中在隔震層，結(jié)構(gòu)的上部基本是平動的狀態(tài)，而未增設(shè)隔震裝置的結(jié)構(gòu)層間位移則是下部大、上部小。之前模態(tài)分析顯示結(jié)構(gòu)周期在增設(shè)隔震裝置后變大，與反應(yīng)譜分析得出結(jié)構(gòu)上部處于平動狀態(tài)的情況相互吻合。

2)在El-Centro波時程分析下，2種結(jié)構(gòu)模型的位移角均滿足了規(guī)范要求。增設(shè)隔震裝置后，在隔震層產(chǎn)生了較大的位移，為22.81 mm，上部結(jié)構(gòu)各樓層的位移變化大大減小，位移角包絡(luò)圖的走勢趨于平緩，因而可以近似認為結(jié)構(gòu)上部由原來的扭轉(zhuǎn)變形變?yōu)檎w平動，隔震后結(jié)構(gòu)最大位移角僅為1/736,隔震裝置充分發(fā)揮了抗震作用。

表5　時程分析下2種結(jié)構(gòu)模型的層間位移角

4.3加速度分析

選用El-Centro波對2種結(jié)構(gòu)進行動力時程分析，分別查看結(jié)構(gòu)頂層、第6層、底層相應(yīng)部位的加速度，對比分析在地震波的作用下隔震裝置對結(jié)構(gòu)加速度的影響。時程分析下結(jié)構(gòu)頂層、第6層、底層的最大加速度如表6所示。

表6　El-Centro波時程分析下結(jié)構(gòu)頂層、

從表6可以看出，增設(shè)隔震裝置后結(jié)構(gòu)各層加速度有明顯減小。由于各層的加速度是均勻變化的，因此隔震裝置能顯著降低地震作用。

5結(jié)論

1)增設(shè)隔震裝置后，結(jié)構(gòu)的第1振型周期由原來的2.009 s增大到3.907 s,相對于原始結(jié)構(gòu)周期延長近1倍，因此能夠避開場地卓越周期，顯著降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

2)通過研究地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析，比較原結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上增設(shè)隔震器對結(jié)構(gòu)有良好的影響，在增設(shè)隔震器后，結(jié)構(gòu)加速度、層間位移、層間位移角以及層間剪力都有不同程度降低。

3)在反應(yīng)譜分析和El-Centro波時程分析下，增設(shè)隔震裝置后結(jié)構(gòu)的隔震層產(chǎn)生了較大的位移，因而上部結(jié)構(gòu)的樓層位移和層間位移角減小，結(jié)構(gòu)變形也由傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)變形變成整體的平動，減震效果顯著。

[參考文獻]

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責(zé)任編輯：唐海燕

Seismic Performance Analysis of Staggered Truss Structure with Vibration Isolators

LEI Qingguan，SUN Yexiang，SU Dandan

(Department of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601)

Abstract：This paper,combining with the composition and characteristics of staggered truss system,introduces the principle of the vibration isolators and the bearing types.By suing SAP2000,the paper establishes the mixed staggered truss system and the mixed staggered truss system with vibration isolators respectively,and carried out the structure modal analysis,response spectrum analysis and time history analysis.A comparative data analysis shows that the seismic performance of the staggered truss is obviously improved.

Key words：staggered truss structure;vibration isolator;SAP2000;energy dissipation

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.001

收稿日期：2015- 12- 28

基金項目：安徽省教育廳、財政廳高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項目(KJ2014ZD07)

作者簡介：雷慶關(guān)(1963—)，男，教授。

中圖分類號：TU393

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)02- 0001- 05