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摘要: 本文研究了摩擦滑移基础隔震结构的分析模型及运动方程。并以试验框架结构为原型,使用层间剪切计算模型计算软件进行计算分析,分析结果表明摩擦滑移基础隔震结构有效地降低了结构的加速度反应、层间位移反应,隔震效果良好。
Abstract: This article investigates the analysis model in combination with equations of motion which is not only based on the friction and sliding, but also the structure of the isolation. The original model is test frame structure, which uses interlaminar shear model calculation software to calculate and analyze. As a result, it indicates that the friction and sliding base isolation structure decreases the structure of the acceleration response and displacement response between the layers effectively, and it is distinguished in isolation effect.
关键词: 摩擦滑移隔震;结构;地震反应
Key words: friction sliding seismic;structure;seismic response
中图分类号:TU352.1 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2016)22-0200-04
0 引言
地震作为破坏力极强的一种自然力量,在发生之时往往会导致建筑物倒塌、人员伤亡等毁灭性灾害。相关统计资料显示,上世纪已有200万人在地震中丧生,其中就有20次性质严重的大地震灾害,每年全球都会发生成百上千次轻微地震[1][2]。
地震造成的伤亡和损失,使得人们越来越关注建筑物的抗震性能,传统抗震等级的建筑物已无法满足人们的要求。在这样的社会背景之下,一种新型建筑结构技术应运而生,就是摩擦滑移隔震技术。
摩擦滑移隔震设计是一种效果非常好的建筑结构技术。它在建筑结构设计上融入了“以柔克刚”的设计理念,在建筑物上午与基础之间设置滑移层,使上部构成一整体。当地震突发时,上部结构可在滑移层的作用下水平移动,滑移层的相对滑动减小了上部结构的自振频率,也使得自振周期有所延长,起到了良好的隔震作用[3][6]。
摩擦滑移隔震结构的隔震层,其水平刚度具有可变性,在发生小地震或遭遇强风灾害时,借助滑移摩擦隔震结构可确保建筑物上部结构只出现轻度的水平位移,整个结构相对稳定,震感并不明显;如果遭遇大地震,在较大的水平地震作用的下,摩擦滑移抗震结构的滑移层产生相对滑动,此时隔震层的水平刚度非常小,上部结构借助滑移层做水平移动,从整体来看这它已是一个柔性的隔震结构,隔震滑移层在一定程度上延长了结构周期,远离场地的卓越周期。另外,隔震层也有一定的摩擦系数,使得作用在结构底部的水平力始终小于最大净摩擦力,从而确保了建筑结构稳定。
1 摩擦滑移隔震结构计算模型
1.1 单质点体系模型[7]
针对刚度较大的上部结构,可将之看作一单质点体系。相比之下,隔震层的水平刚度非常小,它能有效隔离侵入结构的大部分地震能量,最大限度减小上部结构的震感。在这种条件下,整体体系就可进一步简化成一个图1所示的刚体模型。
1.2 多质点体系模型
当上部结构相对较柔、层间出现大幅度变形时(如多层框架结构),可将之视作图2所示的多质点体系。如果上部结构会不会因为设置隔震结构而受影响,就需要简化处理隔震结构,使之形成一便于解析的多质点体系,第一层为隔震层,隔震层往上的每一层均视为一个质点。
1.3 多质点体系平动-摇摆模型
当上部结构层间刚度相对较小、竖向荷载较大时,隔震结构可能会在竖向产生比较明显的变形。再加上结构所产生的水平振动,会使整体结构发生摇摆振动,这种分析模型如图3所示。
实际应用中的隔震结构其实是一个复杂的体系,只能通过详实的计算分析来掌握去隔震效果。为了便于计算分析,需要进一步简化计算模型。摩擦滑移隔震结构的各层剪力及层间位移幅度较小,故上部结构的变形基本不会超出弹性变形范围,因此可将其简化处理成图4所示的层间剪切计算模型。该计算模型的各结构层的质量,全部以质点形式分布在楼盖部位,恒荷载和活荷载则基于一定比例作用在该质点上。此时,我们可将竖向受力构件简化处理为一竖杆,竖杆刚度相当于层间等效剪切刚度。当地震发生时,各楼层之间只会出现小幅度的错动或水平移动,层间位移相对独立,互不干扰。此外,如果基础和地基之间不存在相互的作用力,那么整个建筑物只会受到水平地震作用。
2 基础滑移隔震结构的运动方程
当地震发生时,隔震体系在地震作用下,地面出现水平滑移现象,上部结构借助隔震层的摩擦力在基础顶面上平行移动, 两者之间相对静止,但实则发生着交替变化[8][9]。
2.1 隔震结构相对静止状态
3 实例分析
根据摩擦滑移基础隔震的简化计算模型及运动方程进行编程,编制摩擦滑移基础隔震的计算软件,并选取五层钢筋混凝土框架结构模型进行计算分析。
3.1 试验模型简介
模型缩平面呈矩形对称布置,柱距1.2m,首层层高0.84m,二~五层层高0.72m,模型总高度为3.72m。模型首层底板厚0.2m,基础板厚为0.1m,底板与基础板之间设置隔震装置以形成隔震层,二~五层设置配重块,每层四块,配重块为现浇混凝土块,尺寸为0.8m×0.8m×0.3m。
3.2 计算结果对比
3.2.1 结构位移响应分析
本节主要对抗震、隔震两种结构在EL Centro波不同烈度地震作用下位移响应进行分析,对比两种结构楼层最大位移、位移时程响应探讨其变化规律。计算结果如图5、图6所示。
3.2.2 结构加速度响应分析
本节主要对抗震、隔震两种结构在EL Centro波不同烈度地震作用下加速度响应进行分析,对比两种结构楼层最大加速度、加速度时程响应,探讨其变化规律。计算结果如图7、图8所示。
3.3 计算结果分析
通过对抗震、隔震两种结构在EL Centro波7度、8度和9度地震作用下的响应分析,基于上文的计算分析,可得到以下结论:
①位移:抗震结构在水平位移过程中存在剪切变形情况,层间位移自下而上逐渐减小,结构最大位移随地震烈度地提高而明显增大。隔震结构位移响应集中在隔震层,上部结构刚体平动,仅出现小幅度的层间位移,但是随着地震烈度的提高,隔震层位移幅度越来越大。
②由加速度包络图可以看出,抗震结构楼层加速度随着地震烈度地提高明显增大。隔震结构加速度响应明显减小,楼层加速度值随着楼层地增加也明显增大,但随地震烈度地提高加速度增大幅值极小。
4 结论
本文重点解析了摩擦滑移基础隔震结构的分析模型和运动方程,总结了地震作用下建筑物基础隔震结构的反应原理。根据滑移摩擦隔震结构特点优选滑移摩擦系数,运用计算模型深度解析地震发生时,滑移隔震结构摩擦系数的变化情况,并以一试验框架结构为原型,使用层间剪切计算模型计算软件进行计算分析,充分验证了一结论:摩擦滑移基础隔震结构有效地降低了结构的加速度反应、层间位移反应,隔震效果良好。
参考文献:
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[2]关新春,郭鹏飞,吴阳,欧进萍.基于微驱动材料的智能摩擦阻尼器试验研究[J].振动与冲击,2008(10).
[3]朱玉华,吕西林.滑移摩擦隔震系统在多向地面运动作用下的试验研究[J].地震工程与工程振动,2002(05).
[4]曹晓辉.采用新型滑移隔震装置框架结构地震反应分析[D].西安建筑科技大学,2012.
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[7]张旭东.建筑结构消能减震控制方法[J].内蒙古石油化工,2014(24).
[8]杨淑红.消能减震原理与技术探析[J].内蒙古科技与经济,2013(05).
[9]张俊平,周福霖,廖蜀樵.桥梁隔震体系振动台试验研究(III)——测试结果分析[J].地震工程与工程振动,2002(02).