基于Benchmark模型的基础隔震地震响应分析

基于Benchmark模型的基础隔震地震响应分析

庄益真

深圳和华国际工程与设计有限公司广东深圳518101

摘要：基于第三阶段Benchmark问题的三层钢框架结构模型的基础上，采用ETABS建立三层钢框架的三维有限元模型，基于此模型进行基础隔震设计，并进行非线性时程分析，对比隔震与非隔震的地震响应。研究结果表明：隔震结构的楼层剪力和楼层位移角均远小于非隔震结构，充分体现了隔震结构的优越性。

关键词：Benchmark；基础隔震；地震响应；高烈度区

引言

结构振动控制的概念最早是在1972年由美籍华裔学者姚治平（YaoJTP）[1]提出的。其主要思想是使结构和控制系统共同抵御外界动荷载的作用，达到控制结构形态，减轻结构动力响应的目的。据是否需要外界能源，结构控制分为以下四类[2]：被动控制系统、主动控制系统、半主动控制系统和混合控制系统。结构振动算法的控制效果与结构和控制系统的多种因素有关，其中包括环境作用、结构特性、控制装置—作动器、观测状态以及作动器位置和数量等。通过对实验的方法对各种控制算法有一个公认的比较和评价往往是比较困难的，这就促使了结构振动控制Benchmark模型仿真的研究与发展。美国土木工程学会结构控制委员会分别于1997年、1999年和2004年提出了第一代、第二代、第三代基准建筑物[3]。为使相关研究成果建立在一个标准的平台上，对第三阶段Benchmark模型中的三层钢框架采用基础隔震技术措施，分析其地震响应及其震动控制效果。

1、三层钢框架Benchmark模型

第三阶段地震作用非线性Benchmark研究对象来自于美国SAC为加州地区设计的三幢钢结构建筑，它们分别代表了按加州规范设计的低、中、高三种典型钢结构建筑[4]。SAC设计的3层钢结构平面尺寸为36.58m×54.87m，高11.89m，东西向6跨，南北向4跨，每跨跨距均为9.15m。采用ETABS软件进行隔震结构与原结构的非线性动力分析，分析模型中梁、柱均采用空间杆单元，采用ETABS软件提供的橡胶隔震支座单元Isolator1+Gap单元并联进行模拟隔震支座。采用双线性模型模拟橡胶支座的水平动力性能，双线性模型的各参数相对关系如图1所示。所建立的3层钢结构ETABS有限元模型如图2所示。

2、三层钢框架基础隔震分析

2.1隔震支座选择

运用ETABS对上述9度抗震结构模型进行计算，将罕遇地震作用下各柱底最大轴力作为隔震支座的轴力设计值，以竖向压应力不超过15MPa确定叠层橡胶支座的型号。初步选择35个叠层橡胶支座，其中普通橡胶支座型号为LNB350（15个），铅芯橡胶支座LRB350（20个），铅芯橡胶支座布置于结构外边缘，支座力学性能和基本参数如表1所示。

2.2隔震结构动力特性分析

对隔震结构模型进行模态分析，得到前3阶周期如表2所示，和非隔震模型的第一周期相比，第一自振周期放大了2.16倍，依据反应谱理论可知，隔震支座延长结构自振周期，从而达到隔震的目的。

表2非隔震与隔震结构自振周期对比

2.3结构地震反应分析

地震波采用的是ELCentro（NS）波、Kobe波和Sylmar波，加速度峰值采用《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定的9度罕遇地震峰值620cm/s2。

2.4楼层剪力对比

图3给出了罕遇地震作用下结构X向、Y向楼层剪力，从图3可知，隔震结构的楼层剪力与非隔震结构相比大大减小，如在ELCentro波作用下，隔震结构底层的Y向楼层剪力减少了77.16%，隔震效果非常明显。

2.5楼层位移对比

图4分别给出了罕遇地震作用下结构X向、Y向楼层位移角，从图4可知，隔震结构的楼层位移角与非隔震结构相比大大减小，如在ELCentro波作用下，隔震结构底层的Y向楼层位移角减少了73.40%，隔震效果非常明显。

3、结论

通过本文的计算分析可以得出以下结论。

（1）三条地震波作用下，隔震结构的楼层剪力和楼层位移角均远小于非隔震结构，充分体现了隔震结构的优越性。

（2）在高烈度区采用铅芯橡胶支座的隔震结构与传统结构相比，水平地震响应得到有效地控制，能够大幅度地提高建筑结构的抗震安全性和舒适度，特别是位于高烈度区的结构。

参考文献：

[1]J.T.PYao.ConceptofStructureControl[J].JournalofStructuralpision，1972，98（7）：1567-1574.

[2]顾仲权，马扣根，陈卫东.振动主动控制[M].北京：国防工业出版社，1997.

[3]周星德，姜冬菊.结构振动主动控制[M].北京：科学出版社，2009.

[4]欧进萍.结构振动控制—主动、半主动和智能控制[M].北京：科学出版社，2003.