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1、基础隔震结构考虑摆动的地震响应分析第26卷第4期2007年8月兰州交通大学(自然科学版)JournalofLanzhouJiaotongUniversity(NaturalSciences)VoL26N0.4Aug.2007文章编号:1001—4373(2007)04-0058—04基础隔震结构考虑摆动的地震响应分析戴素亮,邹立华,黄丽彬(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070)摘要:上部结构层间刚度相对较小,垂直荷载也较大的多层框架结构,其所采用的多层橡胶垫的橡胶总厚度较大,可能产生明显的竖向变形,因而导致结构摆动.对基础隔
2、震体系进行了平摆动结构模型分析,推导了在地震作用下结构平摆动的运动方程,采用Matlab编程进行计算机仿真分析.研究结果表明,结构考虑摆动时顶层位移反应与不考虑摆动时相差较大;结构底板转动刚度和隔震层阻尼对基础隔震结构地震响应有明显影响.关键词:基础隔震结构;摆动;橡胶垫;转动刚度;阻尼中图分类号:TB535.1文献标识码:A隔震结构作为一种有效的被动控制方式已广泛地应用于实际工程当中[1].基础隔震多用于3O层以下,高宽比较小,上部结构水平刚度较大的建筑物或构筑物.文献[2]研究结果表明,采用隔震措施后,结构的地震反应明显减小,同时
3、指出在地震高烈度区采用隔震技术设计中高层建筑,具有明显的技术经济效益.目前,对基础隔震结构的研究大多数只考虑结构的水平变形,即平动,而忽略隔震层的竖向变形引起的摆动.随着现代经济的发展,高层建筑将越来越多,当上部结构层间刚度相对较小(如多层钢框架结构),垂直荷载较大,而其所采用的多层橡胶垫的橡胶总厚度较大时,就有可能产生明显的竖向变形,在这种情况下,隔震结构的地震反应不仅要考虑结构的水平振动,而且还要考虑结构的摇摆振动.本文将研究基础隔震结构考虑摆动的地震响应.1基础隔震结构考虑摆动的模型如图1所示,为考虑摆动的基础隔震结构.结构总层
4、数为,隔震装置采用叠层橡胶支座,并假设为等效线性化模型[3].图1中,mt,k,分别为楼层的质量,水平刚度和阻尼;mb为隔震结构底板的质量;kb为橡胶垫水平总刚度;fb为橡胶垫阻尼;H为第i层至结构底板的垂直距离;,,为地面地震位,/肘8基础隔震结构示意图b基础隔震结构计算简图e隔震层计算简图图1多质点隔震体系平动一摇摆振动分析模型Fig.1Modelofhorizontalandswinginmulti—particlebaseisolatedstructures收稿日期;2007—05—28作者简介:戴素亮(1982一),男,湖南
5、怀化人,硕士生,第4期戴素亮等:基础隔震结构考虑摆动的地震响应分析移,速度和加速度,,为由于结构底板摆动引起的上部结构第层的相对位移反应,速度反应和加速度反应;,主,为由于结构平动引起的上部结构第i层对结构底部的水平相对位移反应,速度反应和加速度反应;Ob为结构底层的摆动转角;h为第Z个橡胶垫的弹性橡胶总厚度;b为第z个橡胶垫与底部转动中心轴的水平距离;A为第z个橡胶垫的断面面积;El为第z个橡胶垫的竖向弹性模量;为第z个橡胶垫的竖向压力;为第个橡胶垫的竖向变位;M为结构底板摆动引起的弯矩.2基础隔震结构考虑摆动的运动方程可建立基础隔
6、震结构考虑摆动的运动方程:MX+CX+KX一一Mg(1)式中:J为单位列向量;为结构底层的摆动转角,x一{黝,…,,矾,Ob};K为结构底板的转动刚度,K一∑笪.M,,C,K各变量的表达l=1'式可参见文[6],在此不再赘述.3算例及分析15层框架结构,隔震层设置在上部结构的底部,各层质量均为1.2×10kg;各楼层水平刚度均为5.16×10N/m,各层层高为3.3In,结构阻尼比为0.05;隔震结构采用叠层橡胶支座,隔震层质量为1.5×10kg,等效水平刚度为3.1×10N/m,隔震层阻尼系数为2×10N?s/m.地震波选用ElCe
7、ntro(NS,1940)地震波,加速度峰值调至4m/s..表1基础隔震结构最大地震响应Tab.1MaxiInmnmrthquakeresponseof~se-isolatedstructures一,隔震层最大顶层最大顶层最大加最大摆动…位移/mm位移/mm速度/m?s转~/rad采用Matlab编程,经过试算,取k一3.78×10N?m/rad,分别计算出了结构不考虑摆动和结构考虑摆动两种情况下的地震响应如表1和图2所示.3.1结果分析从仿真数据可以看出,结构考虑摆动和不考虑摆动两种情况下,其隔震层的最大位移相差1.9mm,相差不到
8、3;可是在考虑摆动后顶层的最大位移比不考虑时增加了16.6mm,相差了139/6;顶时间,sa隔震层位移时程时间,sb顶层位移时程0510152O时间,sc顶层加速度时程时时I司/sd摆动转角时程图2基础隔震结构地震响应
