浅议框架层间隔震结构的动力时程分析
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摘要：隔震结构体系是区别于传统抗震体系的新型被动控制体系，隔震结构体系改变了传统抗震结构体系的耗能原理，通过隔震层的耗能装置来吸收和消耗地震能量。本文阐述了层间隔震技术的原理，给出了层间隔震结构动力时程分析的计算方法。通过模型分析可知，层间隔震结构具有明显的隔震减震效果。
Abstract: Seismic isolation structures, a new passive control system that is different from the traditional seismic system, has changed the energy consumption principle of traditional seismic isolation structure, by whose energy-consuming devices in the isolation layer the seismic energy is absorbed and consumed. This paper describes the principles of seismic technology of the isolation layer, and gives the calculation methods of dynamic time-procedure analysis of interlayer seismic isolaton structures. Based on model analysis, it concludes that the interlayer seismic isolation structure has significant effect of seismic absorbing.
Key words: frame structure; interlayer seismic isolation; time-procedure analysis
中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
0前言
对于地震作用，建筑物的结构设计历来都是以抗震设计方法为主。隔震，即隔离地震，即在建筑物的某一部位设置隔震层，隔离地震能量向上部结构传递, 降低上部结构的地震作用，达到预期的防震要求，使建筑物的安全得到可靠的保证。其本质作用是把结构与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，这种分离与解耦是通过增加系统的柔性和提供适当的系统阻尼来实现的。根据隔震层的位置不同，隔震形式一般可分为基础隔震和层间隔震两种。设置隔震层后，结构的地震响应和动力特性将会发生显著的变化，并且，隔震层的位置不同，其隔震机理也有很大的区别。
1 隔震结构的构成[1]
现在使用最多的隔震建筑的构成系统模式如图1-1所示。
图1- 1 隔震建筑的构成系统模式
图1-1中，①表示在竖向方向支撑上部结构的装置；②表示在水平方向支撑上部结构的装置；③表示上部结构和下部结构发生相对位移时吸收能量的单元，其中对于下部结构，如是基础隔震形式则为地基基础，如果是层间隔震形式则为隔震层的下面楼层。①、②和③都是隔震结构特有的结构单元，被称为隔震装置。即通过①②③这些装置将上部结构和下部结构柔软地连接在一起。
实际装置通过使用不同的①②③各装置，能组合出具有各种特性的系统。此外，即使是相同的系统，选择不同物理性质的①②③，系统性质也会不同。目前使用的代表性的系统有：
（1）叠层橡胶支座发挥①+②的功能，另外设置的阻尼器用来发挥③
的功能；
（2）利用铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座将①②③的功能并入为一个隔震支座；
（3）滑动支座发挥①+③的功能（将滑动产生的摩擦力作为阻尼），另
加弹簧构件发挥②的功能。
2隔震装置的设计理论[1][2-6]
设计隔震支座和阻尼器时，与其他结构构件一样，要满足工程上要求的定量性，因此必须认识到叠层橡胶支座、阻尼器与梁、柱等同样为结构构件，需要确定其尺寸、材料及性能。由隔震构件构成的机构即名之为隔震系统。
橡胶支座理论的假定条件
（1）微小变形理论
对于橡胶支座的刚度计算公式基本上来源于弹性理论，适用于发生微小变形的情况。实际上，橡胶材料是非线性材料，遇到地震时的变形又大，所以计算刚度是要留意评价材料性能。
（2）内部钢板的全钢化
内部钢板受到纯压缩时，为约束水平方向的变形，钢板的平面内强度很关键。但是，当受压荷载与剪切变形同时发生时，内部钢板会有平面外变形，与支座的压力相关性很大。当内部钢板很薄，有中心孔时，这种倾向尤其明显。
（3）非压缩性材料
橡胶材料基本上属于非压缩性材料，体积变化非常小。因此，橡胶材料的泊松比ν接近0.5。弹性模量E0和剪切模量G存在以下关系：E0=2(1+ν)G。将ν＝0.5代入上式，则得出E0=3G。下面的公式中利用了这一关系式，把剪切模量G作为表示橡胶性质的材料常数。
3 层间隔震结构的动力时程分析方法[7]
对于实际结构，进一步讲，对于有限元模型，经离散化处理后，可组成质量矩阵和刚度矩阵，使连续系统的偏微分数学模型转化为常微分数学模型：
(3-1)
其中、、和分别表示加速度、速度、位移和荷载向量，它们均为时间t的函数。在任意给定的时间t，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。工程上应用于求解结构动力反应的方法有：直接数值积分法、模态叠加法和状态空间法等。ANSYS程序使用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。Newmark时间积分方法是直接积分法中常见的一种。该方法是对连续变量时间t进行离散化，将动力反应的计算时域[0，T]划分成有限个相等时间间距Δt的子域，得到有限个瞬时点0，Δt，2Δt，，ti+Δt，，T，然后针对这些特定瞬时点求解动力方程(3-1)式。为此，将Δt时刻的加速度和速度用相邻时刻的位移线性组合而成，因此，式(3-1)变成由位移组成的在该时刻的线性代数方程组，进而可逐个地在一系列离散时刻上求得反应值。
4 隔震设计模型分析
通过采用大型通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型，通过参数化编程分别建立传统抗震结构和层间隔震结构模型。设置钢筋混凝土的材料参数，确定其弹性模量，容重等，设定隔震支座的参数，隔震支座的位置。
选取并输入地震波，对模型进行模态分析，模态分析主要是确定结构或结构构件的固有频率和阵型，从而得到其周期，也为动力时程分析提供相应的分析数据。通过分析，两种结构自振周期对比如下（单位：s）：
从表中可以看出，抗震结构的的第一自振周期为1.0266s，增加隔震层之后，第一自振周期延长为1.3348s，说明层间隔震结构具有足够柔的水平刚度，可以有效的延长结构物的基本周期，结构的地震响应也随之减小。
4结论
采用大型通用软件ANSYS能很好的模拟结构构件的受力情况，通过建立抗震模型和隔震模型进行分析，分析结果表明，在结构上设置隔震层，能很有效的延长结构的自振周期，能很好的起到减弱地震作用对结构的影响，从而保护结构主体框架。层间隔震对结构的减震效果比较明显，特别是在高层结构以及加固设计中用途更加广泛，将层间隔震技术应用到建筑结构中，能够更有效的减小地震对结构的响应，有着广阔的发展前景。
参考文献
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