遠場多維地震激勵下長細比懸臂柱柱頂加連梁對串聯(lián)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響

遠場多維地震激勵下長細比懸臂柱柱頂加連梁對串聯(lián)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響

1結(jié)構(gòu)體系特性分析普通隔震通過在建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震單元，形成具有全球復(fù)位功能的隔震層，有效地增加了結(jié)構(gòu)的自振周期，減少了單級地震的影響，顯著降低了結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備的輸入，在減少結(jié)構(gòu)地震的損害和保護建筑物內(nèi)部設(shè)備的有效性方面得到了廣泛認可。在實際工程中常常設(shè)置地下室,為了使上部結(jié)構(gòu)在地震作用下有足夠的位移空間,隔震支座優(yōu)先設(shè)置在地下室的柱頂部。如果柱頂加設(shè)連梁不僅因連梁的高度大大減小了地下室的使用空間,而且浪費隔震墊所增加凈空,這些因素常常使懸臂柱與疊層橡膠支座構(gòu)成了串聯(lián)隔震系統(tǒng)。國內(nèi)外許多學(xué)者對疊層橡膠支座與RC懸臂柱組成的串聯(lián)體系做了大量研究,周錫元等建立了橡膠隔震支座與R/C柱串聯(lián)系統(tǒng)的動力分析模型,給出了水平剛度與臨界力計算公式。本課題組通過對地震波的頻譜分析,結(jié)合體系的動力失穩(wěn)區(qū)間分析,判斷在某豎向地震作用下串聯(lián)體系沒有發(fā)生失穩(wěn)的可能,并對雙向水平地震作用下串聯(lián)隔震結(jié)構(gòu)進行了振動控制研究[2~4]。歷次大地震給人類帶來的災(zāi)難,其主要原因是集中在近斷層附近建筑結(jié)構(gòu)的倒塌。研究資料表明,近斷層地震動明顯的長周期速度、位移脈沖和較大的豎向分量對隔震建筑等長周期結(jié)構(gòu)的抗震性能帶來不利影響[5~6]。我國一些重要的城市,如成都、烏魯木齊、蘭州和西寧等都處在地震的近斷層范圍中。這些因素使得串聯(lián)隔震系統(tǒng)在近斷層地震作用下的失效因素和失效模式具有特殊性。因而對近斷層地震作用下倒塌機理以及有效措施的研究就顯得十分重要。而隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)不同,存在剛度非常薄弱的隔震層,故有必要先研究隔震層的失效機理。目前對結(jié)構(gòu)倒塌過程模擬的途徑主要為數(shù)值仿真。通用有限元軟件MSC.MARC,具有較強的非線性分析能力,并提供較全面的用戶子程序接口,為分析復(fù)雜問題和二次開發(fā)帶來了很大的方便,陸新征等[8~10]人已經(jīng)對混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)做了大量的倒塌模擬分析。本文對LRB與地下室懸臂RC柱組成的串聯(lián)隔震結(jié)構(gòu)建立了分析模型,分別進行以下分析:(1)比較分析7種不同長細比懸臂柱加連梁和不加連梁的響應(yīng)分析;(2)編制生死單元二次開發(fā)程序UACTIVE,根據(jù)與隔震墊彈簧相連單元的最大剪力或軸力達到隔震墊失效前的最大值殺死單元,以實現(xiàn)隔震墊失效;(3)分析了在隔震層附加非線性阻尼器,用表格(table)定義其剛度為以位移(displacement)作變量的函數(shù),控制特大地震作用下隔震層的位移,防止因隔震層位移過大而產(chǎn)生倒塌。2分析單段復(fù)合層結(jié)構(gòu)的模型2.1地下主副居站區(qū)55某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),采用隔震技術(shù),地上6層,1層層高為4.5m,其它均為3.6m;地下1層,層高為3.3m,地下室懸臂柱高2.5m,鉛芯橡膠隔震支座放置在地下室懸臂柱頂。柱距為x向6m×3m×6m,y向6m×6m×6m。隔震層頂板厚0.3m,其它樓板厚0.12m。梁柱截面尺寸見表1所示。2.2隔震機構(gòu)的剛度和阻尼應(yīng)用有限元軟件MACR連接(LINKS)中的SPRINGS/DASHPOTS(彈簧/阻尼)來模擬鉛芯橡膠隔震支座的剛度和阻尼,根據(jù)設(shè)計所選取的鉛芯橡膠隔震支座型號LRB600,確定模擬彈簧水平剛度為1.2×106N/m,豎向剛度為1.5×109N/m。阻尼系數(shù)C按下式求得:式中,ξb為鉛芯橡膠隔震支座的等效阻尼比;ω1為隔震結(jié)構(gòu)的第一圓頻率;MT為鉛芯橡膠隔震支座所承受的總質(zhì)量。2.3chichi-tc本文選取三向強震實際記錄地震波為來自網(wǎng)站/smcat/search.html的Chichi-TCU068,其峰值加速度分別為X向4.53m/s2、Y向5.55m/s2、Z向4.76m/s2,如圖1所示。3計算與結(jié)果分析3.1連梁和連梁作用下的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)為了對比分析不同長細比懸臂柱加與不加連梁對響應(yīng)的影響,本文采取固定懸臂柱截面尺寸,改變懸臂柱高度的措施,總共計算了7種不同柱高,分別為:2.5m、3.0m、4.0m、4.5m、5.0m、6.0m、8.0m,連梁的截面尺寸為300mm×800mm。各種工況在近斷層地震作用下隔震層、6層的X向位移(m)響應(yīng)和加速度(m/s2)響應(yīng)峰值如圖2所示(注:圖中0wl表示無連梁隔震層、0yl表示有連梁隔震層、6wl表示無連梁6層、6yl表示有連梁6層、dx和ax分別代表x向位移和加速度,橫坐標為柱高)?？傮w上看,各種柱高加連梁的影響隨柱增高而增加。分別從位移和加速度兩個方面分析:(1)加連梁減小了位移響應(yīng),在隔震層,當(dāng)柱高為5m時,影響僅為1.5%;當(dāng)柱高達到8m時,影響為7%,對6層位移的影響,所有工況影響均極小(見圖2a);(2)加連梁后,增大了加速度響應(yīng),在隔震層,當(dāng)柱高為5m時,影響不到1%;當(dāng)柱高達到8m時,影響僅為2.1%,對6層加速度的影響相對較大。當(dāng)柱高為5m時,影響約1.9%;當(dāng)柱高達到8m時,影響約8.1%(見圖2b)。由上述分析可知:從對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響方面考慮,在實際工程中,懸臂柱的長細比一般小于5,本身剛度較大,加連梁的作用微小。3.2隔震墊的死亡單元計算隔震層是整個串聯(lián)隔震體系中剛度最薄弱的位置,地震時通過隔震層的位移,消耗地震能量,減少上部結(jié)構(gòu)的地震能輸入,從而達到減震效果。近斷層地震動存在明顯長周期速度、位移脈沖和較大的豎向分量,會加大隔震建筑等長周期結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng),在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候,當(dāng)處于發(fā)震斷層10km以內(nèi)時,輸入地震波應(yīng)考慮近斷層影響系數(shù)來考慮近斷層地震動的不利影響。同時設(shè)計的時候,在罕遇地震下,時程分析表明隔震層的位移響應(yīng)已經(jīng)接近隔震墊的破壞位移,而此時需要保證上部結(jié)構(gòu)不倒塌,故在超罕遇地震作用時,極有可能先因隔震層由于位移過大而發(fā)生整體倒塌。編制生死單元二次開發(fā)程序UACTIVE,根據(jù)與隔震墊彈簧相連單元的最大剪力或軸力達到隔震墊失效前的最大值殺死單元,實現(xiàn)隔震墊失效。計算模型如圖3所示。Kx、Ky分別為水平x向和y向剛度等于1.2×106N/m,Kz為豎向剛度等于1.5×109N/m,最大位移為0.55D等于0.33m,取0.3m,故達到最大位移時,隔震墊因水平剛度對“失效單元”的剪力V為0.36×106N;隔震墊最大壓應(yīng)力為12MPa,此時失效單元軸壓力Nc為3.39×106N,隔震墊最大拉應(yīng)力為1MPa,失效單元軸拉力Nt為0.28×106N。在二次開發(fā)程序UACTIVE中定義:當(dāng)V>0.36×106N或Nc>3.39×106N或Nt>0.28×106N時,“失效單元”殺死。從而使隔震墊與上部結(jié)構(gòu)失去聯(lián)系,達到隔震墊失效的目的。為了使結(jié)構(gòu)進入倒塌階段,使用地震波為兩倍原始記錄,結(jié)果如圖4所示。在15.10s時,x向位移達到0.3m限制,之后“失效單元”被殺死,隔震墊失效,結(jié)構(gòu)在豎向加速度和重力作用下,z向位移急劇增加(見圖4a),模型變形圖見圖4b,到16.02s時,懸臂柱頂及地下室頂板,位移達到-0.8m,模型變形圖見圖4c。3.3彈簧剛度模型隔震結(jié)構(gòu)在超罕遇地震作用時,極有可能因隔震層由于位移過大而發(fā)生整體倒塌,故控制隔震層位移在允許范圍極為重要。簡單有效的方法就是在隔震層與下部結(jié)構(gòu)直接設(shè)置阻尼器,為了不影響多遇地震下的隔震效果,往往使阻尼器在特定前提下才發(fā)揮作用。本文設(shè)置的非線性彈簧阻尼器為:當(dāng)隔震墊位移達到0.2m時,阻尼器開始進入工作,位移達到0.3m時,其彈簧剛度為3×109N/m,用較大的剛度來有效地限制位移。彈簧剛度模型如圖5所示。地震波選取1.5倍三向強震實際記錄地震波CHICHI—TCU068,模型未考慮隔震層失效。不設(shè)置阻尼器彈簧和設(shè)置阻尼器彈簧的隔震層位移時程和加速度對比分析如圖6所示。從圖6可知,增加阻尼器彈簧可以有效控制位移在許可范圍。為了比較分析加阻尼器彈簧的效果,定義隔震墊失效,當(dāng)特大地震作用下隔震墊的位移遠大于允許值時,而加阻尼器可以控制位移范圍,但結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生明顯塑性變形;另外,位移在0.2m內(nèi)時,兩種曲線完全重合,說明在多遇地震下加阻尼器彈簧不影響隔震效果(見圖6(a)、(b)),且加速度也有了很大程度的放大(見圖6(c)、(d))。4考慮隔震層破壞的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計算本文通過用通用有限元軟件MSC.MARC建立了有限元分析模型,比較分析了7種不同長細比懸臂柱加連梁和不加連梁的響應(yīng)分析,編制了由MSC.MARC二次開發(fā)程序生死單元UACTIVE,實現(xiàn)隔震墊失效,分析了為控制隔震層位移防止整體倒塌而設(shè)置附加非線性阻尼器彈簧的各種結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)時程,得出以下結(jié)論:(1)當(dāng)?shù)叵率覒冶壑L細比在5以內(nèi)時,