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(dòng)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(dòng)性能，并盡可能在地震發(fā)生時(shí)救人類的生命和財(cái)產(chǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)外提出的最基本的地震探測(cè)技術(shù)是一種相當(dāng)實(shí)用的地震探測(cè)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(shí)踐的驗(yàn)證。針對(duì)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(jì)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(shí)際工程為研究對(duì)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(duì)其在地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了力學(xué)分析和數(shù)值模擬.1非線性時(shí)程分析1.1約束機(jī)構(gòu)的振動(dòng)模型對(duì)于大底板多塔樓結(jié)構(gòu),其上部結(jié)構(gòu)的各個(gè)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(shí),上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)宜按多質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行分析.由于疊層橡膠墊隔震裝置的豎向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的水平剛度,因此在動(dòng)力分析時(shí),近似認(rèn)為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)只作平動(dòng),同時(shí)忽略隔震層的豎向變形引起的擺動(dòng).結(jié)構(gòu)剛度按層間剪切模型計(jì)算,可簡(jiǎn)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(gè)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(gè)質(zhì)點(diǎn),從而形成“串聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系”振動(dòng)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(gè)結(jié)構(gòu)如圖1所示.時(shí)程分析計(jì)算模型如圖2所示.1.2相對(duì)于隔震層的位移結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)動(dòng)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(lì)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(hào)塔樓與2號(hào)塔樓的質(zhì)量矩陣.xp為底板相對(duì)地面的位移反應(yīng);xb為隔震層的層間位移;XA表示1號(hào)塔樓相對(duì)于隔震層的位移;XB為2號(hào)塔樓相對(duì)于平臺(tái)頂?shù)奈灰?I1A與I1B分別為上部2個(gè)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(hào)塔樓與2號(hào)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(yùn)動(dòng)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(dá)式為C0=αsM+βsK,(3)Cr代表非比例阻尼的余項(xiàng)阻尼矩陣,其表達(dá)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(zhǔn)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(dòng)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(shí)程反應(yīng).2振動(dòng)裝置與能源設(shè)備的選擇2.1振動(dòng)裝置的選擇對(duì)無控結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行隔震設(shè)計(jì),選用疊層隔震支座型號(hào)及性能指標(biāo)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(dòng)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(dòng)周期.在結(jié)構(gòu)層間位移為0,且速度最大時(shí)出力最大,在結(jié)構(gòu)物層間位移最大時(shí),速度為0,即桿件內(nèi)力最大時(shí)出力最小,此特性使粘滯阻尼器在貢獻(xiàn)阻尼力減低結(jié)構(gòu)反應(yīng)時(shí),不會(huì)增加結(jié)構(gòu)物的負(fù)擔(dān).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(jì)的阻尼系數(shù),V為阻尼器活塞相對(duì)阻尼器外殼的運(yùn)動(dòng)速度,一般情況取阻尼器的相對(duì)速度.α為阻尼器設(shè)計(jì)的阻尼指數(shù),當(dāng)在以抗震為主的建筑物中使用時(shí),α取0.15～0.25之間.粘滯阻尼器在耗能方向的剛度按照國(guó)家“建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第12.3.6-1”中Kd=(6πT1)CVΚd=(6πΤ1)CV進(jìn)行計(jì)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(hào)、2號(hào)2個(gè)塔樓,2塔樓間設(shè)置變形縫,隔震層采用大底板形式.2個(gè)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(jì)分組第2組,設(shè)計(jì)基本加速度0.20g.場(chǎng)地土Ⅲ類,場(chǎng)地特征周期取Tg=0.5s,不考慮近場(chǎng)影響.3.1模型計(jì)算中地震波的確定為比較直觀的對(duì)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(diǎn),在進(jìn)行計(jì)算時(shí),我們要對(duì)粘滯阻尼器等效剛度進(jìn)行計(jì)算并在設(shè)計(jì)中加以考慮,對(duì)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(duì)于隔震結(jié)構(gòu)有所減小,但是仍然符合國(guó)家建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求.在模型計(jì)算中,地震波選用了ELCentro波對(duì)結(jié)構(gòu)罕遇地震下的地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析,將地震波峰值加速度調(diào)整到4m/s2(相當(dāng)于8°罕遇地震時(shí)的峰值加速度),地震持續(xù)時(shí)間30s,積分步長(zhǎng)取0.02s,同時(shí)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(shí)程曲線如圖3、圖4所示.在罕遇地震下,相對(duì)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(duì)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(shí)不難發(fā)現(xiàn),耗能隔震建筑在某些時(shí)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(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)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(duì)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(shí)程曲線見圖5.在罕遇地震時(shí),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(duì)象,作用于該柱的地震作用產(chǎn)生的軸力時(shí)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(duì)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