低造价简易隔震结构的动力时程分析

低造价简易隔震结构的动力时程分析

张潆心

天津市房信建筑工程总承包有限公司天津市300000

摘要：本文以一栋五层砌体建筑为研究对象，利用SAP2000软件建立有限元模型，设计了四种组合隔震结构，并输入EL-Centro地震波，利用FNA方法对结构进行8度罕遇地震作用下的非线性时程分析，得出最优的组合隔震布置方案。

关键词：村镇地区；砌体结构；简组合易隔震；非线性时程分析

引言

近几年来，我国发生的大型地震灾害主要集中在经济不发达的村镇地区，例如2010年4月14日，两次7级以上的地震在青海省玉树县连续发生，造成2千多人遇难。调查数据表明，我国村镇地区大都是砌体结构建筑，但由于它具有强度低、变形能力差等缺点，发生罕遇地震时，遇难人数和房屋损坏率往往超过经济发达的城市地区。

复合隔震系统是通过合理的设计将两种隔振装置一同布置。目前，组合隔震技术普遍将橡胶隔震支座和铅芯叠层橡胶隔震支座组合在一起，其设计理论已经相当成熟，但造价较高，不适用于我国村镇地区，因此需要深入探究出一种造价低廉、适合我国广大农村地区使用的组合隔震技术。

工程塑料板橡胶隔震支座采用价格低廉的材料制作成塑料板，代替普通橡胶隔震支座中的钢板。由竖向钢筋、砖墩以及沥青油膏组成的钢筋—沥青隔震层，其构造简单，价格低廉。将上述两种低造价简易隔振技术进行组合，设计四种不同的组合布置方案，根据不同情况优选出适合于村镇地区的简易组合隔振技术。

1.砌体隔震结构数值模型

本建筑为五层砌体建筑，设防裂度为8度，场地类别为II类，设计地震分组为第二组，层高为3m，选用MU10的普通粘土砖，墙厚为240mm，砌筑砂浆强度为M5，梁与柱的混凝土强度等级均为C25，采用厚度为120mm的现浇式混凝土楼板，其混凝土的强度等级为C20，纵筋强度等级为HRB335，箍筋强度等级为HPB300。，首层平面布置图如图1所示。

图1砌体结构首层平面图

选用SAP2000软件中的框架单元来模拟结构的梁与柱，用shell单元[1]来模拟砌块墙和楼板，用RubberIsolator单元[2]来模拟隔震层，塑料板隔震支座：非线性刚度为600N/mm；有效刚度：271.90N/mm；屈服力：58476.50N；屈服比：0.39；阻尼系数：0。钢筋-沥青隔震砖墩：非线性刚度为588.75N/mm；有效刚度：513.75N/mm；屈服力：6315.07N；屈服比：0.07；阻尼系数：1.82。

1.1组合隔震的布置方案

根据砌体建筑的结构形式以及质量与刚度分布均匀的特点，提出了四种组合隔震布置方案，其隔震层均布置36个塑料板橡胶隔震支座和296个钢筋-沥青隔震砖墩，具体组合方式如下：

组合一：将塑料板橡胶隔震支座布置在结构的构造柱下，并在A、F号纵墙和1、6号横墙的地圈梁下连续布置钢筋-沥青隔震砖墩；

组合二：将塑料板橡胶隔震支座布置在结构的构造柱下，并在A、F号纵墙和3、4号横墙的地圈梁下连续布置钢筋-沥青隔震砖墩；

组合三：将塑料板橡胶隔震支座布置在结构的构造柱下，并在C、D号纵墙和1、6号横墙的地圈梁下连续布置钢筋-沥青隔震砖墩；

组合四：将塑料板橡胶隔震支座布置在结构的构造柱下，并在C、D号纵墙和3、4号横墙的地圈梁下连续布置钢筋-沥青隔震砖墩。

1.2选用的地震波

按照8度罕遇地震加速度峰值对EL-Centro波进行调整，峰值加速度：341.70cm/s2，持续时间：30s；时间间隔：0.02s。

2.组合隔震方案地震响应分析

2.1绝对加速度反应

在X向罕遇地震激励下，传统砌体结构顶层绝对加速度峰值：1355.22cm/s2，工程塑料板橡胶隔震结构顶层绝对加速度峰值：187.38cm/s2，钢筋-沥青隔震结构顶层绝对加速度峰值：363.86cm/s2。四种组合隔震结构的顶层绝对加速度峰值依次为：282.99cm/s2、285.62cm/s2、284.23cm/s2、287.01cm/s2；在Y向罕遇地震激励下，传统砌体结构顶层绝对加速度峰值：673.86cm/s2，工程塑料板橡胶隔震结构顶层绝对加速度峰值：164.97cm/s2，钢筋-沥青隔震结构顶层绝对加速度峰值：294.67cm/s2。四种组合隔震结构的顶层绝对加速度峰值依次为：240.60cm/s2、241.36cm/s2、241.19cm/s2、241.82cm/s2。

与纯钢筋-沥青隔震结构相比，组合隔震结构顶层绝对加速度峰值都得到一定程度的减小。考虑罕遇地震响应，在X向地震作用下，四种组合隔震结构相比与传统结构，顶层最大绝对加速度的减小率依次为79.12%、78.92%、79.03%、78.82%；Y向地震作用下，四种组合隔震结构相比与传统结构顶层最大绝对加速的减小率依次为64.30%、64.18%、64.21%和64.11%。因此以顶层最大绝对加速度为控制目标时，组合一为最佳的组合隔震方案。

2.2位移反应分析

在X向罕遇地震激励下，顶间位移峰值为：传统固结结构：17.60mm；工程塑料板橡胶隔震结构：100.99mm，钢筋-沥青隔震结构：72.88mm。组合隔震结构一：94.30mm；组合隔震结构二：94.46mm；组合隔震结构三：94.45mm；组合隔震结构四：94.62mm。在Y向罕遇地震激励下，顶间位移峰值为：传统固结结构：6.35mm；工程塑料板橡胶隔震结构：84.65mm，钢筋-沥青隔震结构：54.82mm；组合隔震结构1：78.25mm；组合隔震结构2：78.50mm；组合隔震结构3：78.35mm；组合隔震结构4：78.60mm。

与纯塑料板隔震结构相比，组合隔震结构顶间位移峰值都能得到一定程度的减小。对于罕遇地震，在X向地震响应下，四种组合隔震结构的顶层位移峰值依次增大为传统结构的5.35、5.37、5.37、5.38倍，Y向地震响应下，四种组合方案的顶层位移依次增大为传统结构的12.32、12.36、12.33、12.38倍。因此，在罕遇地震下，以顶层位移反应为控制目标，组合一为最佳的组合隔震方案。

3.结论

将塑料板隔震支座与钢筋-沥青隔震砖墩进行组合，结合传统砌体建筑的结构特点设计了四种组合隔震方案，利用SAP2000软件建立组合隔振结构模型，输入EL-Centro地震波，利用FNA方法对结构进行8度罕遇地震作用下的非线性时程分析，研究隔震层中不同的组合布置方案对结构减震效果的影响，得出以下结论：

（1）在罕遇地震作用下，以结构顶层最大绝对加速度、最大位移为控制目标时，组合一的减震效果突出，为最优的组合隔震布置方案。

（2）与钢筋-沥青隔震结构相比，组合隔震方案的起到降低加速度反应的作用；相比于塑料板隔震结构组合隔震方案可以有效地限制位移响应。组合隔震方案既能够优化塑料板隔震支座和钢筋-沥青隔震层的不足，又能充分发挥两种隔震优势。

参考文献：

[1]吴中海，周春景，冯卉等.青海玉树地区活动断裂与地震[J].地质通报，2014，33（4），419-469.

[2]曹筱璇.西南省域破坏性地靂特急期应急管理力量配置研究[D]云南大学硕士学位论文，2012.