大底板多塔結(jié)構(gòu)混合隔震控制體系的地震響應(yīng)分析

大底板多塔結(jié)構(gòu)混合隔震控制體系的地震響應(yīng)分析

最近，世界地震活動頻繁，四川地震、地中海地震和智利地震導(dǎo)致巨大損失和巨大損失。由于地震的不確定性，我們現(xiàn)在主要的抵抗地震手段是提高建筑物的抗疲勞動性能，并盡可能在地震發(fā)生時救人類的生命和財產(chǎn)。近年來，國內(nèi)外提出的最基本的地震探測技術(shù)是一種相當實用的地震探測控制體系，在多層建筑中得到了廣泛應(yīng)用，并經(jīng)過了地震實踐的驗證。針對大底板多塔樓結(jié)構(gòu),我們引入隔震—減震相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計新思路,將現(xiàn)代減震控制技術(shù)應(yīng)用到大底板多塔樓這一類復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中.以某實際工程為研究對象,利用有限元軟件matlab和sap2000建立了附設(shè)耗能裝置的結(jié)構(gòu)有限元模型,對其在地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進行了力學分析和數(shù)值模擬.1非線性時程分析1.1約束機構(gòu)的振動模型對于大底板多塔樓結(jié)構(gòu),其上部結(jié)構(gòu)的各個塔樓是較柔的多層結(jié)構(gòu),其層間剛度較小,并且結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量中心基本重合,地震發(fā)生時,上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)宜按多質(zhì)點體系進行分析.由于疊層橡膠墊隔震裝置的豎向剛度遠遠大于它的水平剛度,因此在動力分析時,近似認為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)只作平動,同時忽略隔震層的豎向變形引起的擺動.結(jié)構(gòu)剛度按層間剪切模型計算,可簡化為層間剪切模型:結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量中心重合,以1個樓層為基本單元,把每層的豎向構(gòu)件合并為1根豎桿,用樓層的等效剪切剛度作為豎桿的層剛度,并將上部結(jié)構(gòu)的恒、活荷載按一定比例組合后集中于各層樓的樓蓋處作為1個質(zhì)點,從而形成“串聯(lián)質(zhì)點系”振動模型.模型的基本假定有:(1)樓蓋在其自身平面內(nèi)剛度為無窮大;(2)結(jié)構(gòu)中水平構(gòu)件的剛度為無窮大,不產(chǎn)生豎向剪彎變形;(3)結(jié)構(gòu)中的豎向構(gòu)件在水平荷載作用下不產(chǎn)生軸向變形;(4)不考慮上下樓層之間力和變形的相互影響,模型的層間剛度僅決定于樓層各豎向構(gòu)件的剛度.整個結(jié)構(gòu)如圖1所示.時程分析計算模型如圖2所示.1.2相對于隔震層的位移結(jié)構(gòu)體系的運動方程為式中M、K與C分別為整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣與阻尼矩陣;X為位移向量;x¨x¨g為地面加速度;U為控制力.方程(1)中,Mg與b分別為外部激勵作用矩陣與控制力位置矩陣.方程(1)中式中mb為隔震層的質(zhì)量;MA與MB分別為1號塔樓與2號塔樓的質(zhì)量矩陣.xp為底板相對地面的位移反應(yīng);xb為隔震層的層間位移;XA表示1號塔樓相對于隔震層的位移;XB為2號塔樓相對于平臺頂?shù)奈灰?I1A與I1B分別為上部2個塔樓各自的地震影響系數(shù).整體剛度矩陣由各子結(jié)構(gòu)的剛度矩陣組成,其中KA與KB分別為1號塔樓與2號塔樓的剛度矩陣,為線彈性的,kb為隔震層的剛度矩陣,考慮為雙線性.由于添加了粘滯阻尼器的上部結(jié)構(gòu)和隔震系統(tǒng)具有明顯不同的阻尼,所以運動方程有著與經(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C=C0+Cr+Cd,(2)式中C0代表Rayleigh阻尼矩陣,其表達式為C0=αsM+βsK,(3)Cr代表非比例阻尼的余項阻尼矩陣,其表達式為其中m1、k1分別為隔震層的質(zhì)量和剛度,Cd為阻尼器設(shè)計的阻尼系數(shù).混合控制結(jié)構(gòu)體系增量形式的結(jié)構(gòu)運動方程可表示為采用Newmark積分法求解,結(jié)構(gòu)的位移與速度增量可表示為式中α與δ為決定積分準確性與穩(wěn)定性的參數(shù).方程(5)位移增量可由下式求解與ΔPˉˉˉΡˉ分別為等效剛度與等效荷載增量,其中速度增量可以由下式求解直接從結(jié)構(gòu)的動力增量平衡方程(5)求解加速度增量通過上述積分步驟可求出結(jié)構(gòu)在地震作用下的時程反應(yīng).2振動裝置與能源設(shè)備的選擇2.1振動裝置的選擇對無控結(jié)構(gòu)首先進行隔震設(shè)計,選用疊層隔震支座型號及性能指標如表1所示.2.2粘滯阻尼器的剛度選用粘滯阻尼器作為耗能裝置附設(shè)于上部結(jié)構(gòu),與疊層橡膠支座協(xié)同工作.粘滯阻尼器是一種被動的無剛度速度相關(guān)型阻尼器,安裝后不影響結(jié)構(gòu)物的振動周期.在結(jié)構(gòu)層間位移為0,且速度最大時出力最大,在結(jié)構(gòu)物層間位移最大時,速度為0,即桿件內(nèi)力最大時出力最小,此特性使粘滯阻尼器在貢獻阻尼力減低結(jié)構(gòu)反應(yīng)時,不會增加結(jié)構(gòu)物的負擔.粘滯阻尼器力與位移和速度的關(guān)系可以表示為式中Cd為根據(jù)需要設(shè)計的阻尼系數(shù),V為阻尼器活塞相對阻尼器外殼的運動速度,一般情況取阻尼器的相對速度.α為阻尼器設(shè)計的阻尼指數(shù),當在以抗震為主的建筑物中使用時,α取0.15～0.25之間.粘滯阻尼器在耗能方向的剛度按照國家“建筑抗震設(shè)計規(guī)范第12.3.6-1”中Kd=(6πT1)CVΚd=(6πΤ1)CV進行計算.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).3大底板形式.某工程主體為8層,分為1號、2號2個塔樓,2塔樓間設(shè)置變形縫,隔震層采用大底板形式.2個塔樓平面均為矩形,框架結(jié)構(gòu),樓蓋為梁板體系,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ).建筑平、立面尺寸見表2.設(shè)防烈度8°,設(shè)計分組第2組,設(shè)計基本加速度0.20g.場地土Ⅲ類,場地特征周期取Tg=0.5s,不考慮近場影響.3.1模型計算中地震波的確定為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基礎(chǔ)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)的自振周期見表3.由于阻尼器與建筑連接的方式及其自身的特點,在進行計算時,我們要對粘滯阻尼器等效剛度進行計算并在設(shè)計中加以考慮,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,但是仍然符合國家建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求.在模型計算中,地震波選用了ELCentro波對結(jié)構(gòu)罕遇地震下的地震動響應(yīng)進行分析,將地震波峰值加速度調(diào)整到4m/s2(相當于8°罕遇地震時的峰值加速度),地震持續(xù)時間30s,積分步長取0.02s,同時考慮豎向地震作用.3.2能耗隔震建筑與隔震建筑的地震反應(yīng)特性(1)結(jié)構(gòu)各層最大位移與頂層位移加速度反應(yīng)時程曲線如圖3、圖4所示.在罕遇地震下,相對于無控結(jié)構(gòu),安裝阻尼器的耗能隔震建筑與基礎(chǔ)隔震建筑的各層最大位移相對較大,但是各層的峰值加速度反應(yīng)明顯減少,且迅速衰減.同時不難發(fā)現(xiàn),耗能隔震建筑在某些時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,為實現(xiàn)抗震設(shè)防目標提供了有力支持.(2)地震作用下結(jié)構(gòu)隔震支座的最大水平位移如表4所示.從表4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)的結(jié)構(gòu)隔震支座的最大水平位移顯著減少.(3)隔震建筑和耗能隔震建筑地震作用下的底層某角柱軸力時程曲線見圖5.在罕遇地震時,耗能隔震建筑與隔震建筑相比,選取底層某角柱作為分析對象,作用于該柱的地震作用產(chǎn)生的軸力時程曲線顯示,附設(shè)了粘滯阻尼器的耗能隔震結(jié)構(gòu)的柱軸力峰值減小了33.29%.4粘滯阻尼器與疊層橡膠墊的結(jié)合綜上所述,可以得出如下結(jié)論:(1)通過附設(shè)粘滯性阻尼器,耗能隔震建筑相對于普通的基礎(chǔ)隔震建筑,抗震性能有所提高,通過阻尼器與隔震層在地震過程中協(xié)同工作,粘滯阻尼器與疊層