基础隔震技术在框架结构中的应用研究

基础隔震技术在框架结构中的应用研究

摘要：本文介绍了基础隔振技术的工作原理和设计要求，针对特殊的地震及地质条件，通过对一个六层框架结构设置隔震支座前后动力响应的分析对比，得到了隔震支座竖向具有很强的承载能力，同时水平向具有较大的变形能力，从而能够提高结构的抗震性能等一系列结论，为实际工程应用提供了指导。

关键词：隔震 框架 周期

前言

随着技术的进步，隔震技术已广泛应的用于建筑结构和桥梁等工程中[1]。隔震结构是在隔震层设置叠层橡胶支座来吸收地震能量，将地震造成的激烈的地表运动进行控制，使地震时作用于建筑物的地震力明显减弱。目前，夹层橡胶垫隔震技术和摩擦滑移隔震技术是国内外研究和应用较多的隔震技术。从隔震机理方面分析，夹层橡胶隔震技术通过减小隔震层刚度，延长结构的自振周期，从而避开了场地的卓越周期，达到隔震的效果；摩擦滑移隔震技术则是通过隔震层与基础的相对滑动，以摩擦的形式来耗散地震能量[2]。本文对一个六层框架结构进行隔震设计，对比分析设置隔震支座前后结构的动力响应，得到了一些可以指导实际工程的结论。

1 工程概况

某六层钢筋混凝土框架结构，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，每层层高3m,柱的截面尺寸为500mm×500mm,梁截面尺寸分别为300mm×600mm，300mm×400mm，250mm× 400mm。梁、柱的混凝土强度等级均为C30。场地类别为Ⅱ类，抗震设防分类为乙类，由抗震设计规范可知，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，场地特征周期为0.35s。结构模型如图1所示。

图1结构模型图图2 隔震支座图

2 隔震设计要求

隔震技术是通过增大结构的自振周期来降低结构地震反应的，所以对于周期小、场地特征周期短的建筑，隔震效果更为明显[3]。采用隔震设计时结构应满足以下要求：

（1）结构的体型基本规则；

（2）建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并选用稳定性较好的基础类型；

（3）风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%；

（4）隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼。

隔震结构的设计步骤[4]：

（1）确定上部结构方案与结构布置；

（2）初步确定上部结构构件尺寸及材料强度等级；

（3）布置和设计隔震支座；

（4）确定隔震后上部结构的抗震等级；

（5）验算隔震支座的变形；

（6）对上部结构进行内力分析、荷载组合和设计。

（7）必要的构造措施。

3 结构隔震计算

目前常用的隔震装置包括滑板支座、橡胶支座以及组合支座。铅芯橡胶支座因为技术成熟，应用最广；滑板支座水平刚度更小，隔震效果更明显，但因为没有回复力而不能单独使用。隔震层设置在建筑物的最下层，即基础顶面处。隔震装置的选取原则如下[5]：

（1） 隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力；

（2） 隔震层具有适当的水平刚度，在强风等水平荷载作用下，隔震层具有足够的初始刚度；地震时，隔震层产生柔性变形；

（3） 隔震装置具有良好的自复位功能；

（4） 隔震层的水平刚度中心应与上部结构的质心基本一致；

（5） 隔震装置的刚度和阻尼具有良好的稳定性。

本文选用的隔震支座结构如图2所示，性能指标如表1所示。

表1 隔震支座性能指标

运用有限元软件Midas进行三维建模和抗震性能分析，为结构隔震设计提供依据。分别对传统非隔震结构和设置铅芯橡胶隔震支座结构进行地震动输入动力时程分析，比较对结构进行隔震前后的动力响应情况。选取适用于Ⅱ类场地的El-Centro地震波。

4 结算分析

由模态分析得到结构前六阶周期如表2所示，可知，设置隔震支座后结构的周期明显增长，周期放大系数均达到1.5倍以上。

表2 结构周期

振型 普通结构（s） 隔震结构（s） 周期放大系数

在El-Centro地震波作用下，对结构进行隔震前后顶层位移时程如图3所示，由图可知，由于隔震支座的作用，使得上部结构传到下部结构的荷载整体减少，可以有效地减少上部结构的层间变形。

图3 隔震前后顶层位移时程

5 结论

通过对框架结构进行隔震前后动力响应情况的分析比较，可以得到：

（1） 采用隔震支座后，使得上部结构传到下部结构的荷载整体减少；

（2） 采用隔震技术，使结构的周期明显加长，可以有效的减少上部结构的层间变形；

（3） 隔震结构与普通结构相比较，由于橡胶隔震支座的作用，使得结构的顶层位移减小；

（4） 相比常规结构，采用隔震设计的结构更能保证地震时结构的安全性；

（5） 通过对结构和隔震支座进行合理设计及布置的研究，从而推进隔震技术在建筑结构中更广泛的应用。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看