民用建筑隔震装置优化布置研究

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1、民用建筑隔震装置优化布置研究：分析地震造成建筑破坏原因，建立计算地震破坏的简单模型，为实际建筑隔震装置布置提供参考。　　关键词：隔震优化布置建模　　CivilOptimalLayoutProblemofIsolationDevices　　　　Abstract:ObjectiveAnalysisofbuildingdamagecausedbytheearthquakecauses,Establishasimplemodelcalculationofearthquakedamage,theactuallayoutofseismicisolationdevicespr

2、ovideareferencearchitecture,theactuallayoutofseismicisolationdevicesprovideareferencearchitecture.　　Keyization,ArrangementModeling　　　　0引言　　中国地处环太平洋地震带，是地球上受地震自然灾害较多的国家。经历了多次重大地震后，人们对建筑物抵抗地震破坏能力的重视程度越来越高，2008年以来，汶川、玉树等地区发生的地震给我国带来惨重的破坏，对民用建筑的设计敲醒了警钟。国内学者对于隔震建筑的研究主要侧重于隔震原理和隔震装置性能分析,随着有

3、限元理论发展一些学者对于隔震系统运用有限元软件进行了动力学分析,并获得了较好的仿真效果。但是以上的有限元分析在建模中每个单独的隔震装置中均设有隔震支座和阻尼器，与实际工况不符[]。本文主要从隔震理论出发，结合有限元软件对已有的有限元隔震模型进行改进，并探讨隔震装置的合理布置的方案。　　1隔震理论分析　　工程实践中多质点体系较为常见（简化模型如图1.1），在一般情况下，隔震装置的竖向刚度远远大于其水平刚度，所以在进行动力分析时，可以近似认为隔震结构只作平动，而忽略其竖向变形引起的摆动。　　　　　　　　图1.1多质点体系简化模型　　针对质点的模型，运用达朗贝尔原理，

4、考虑各质点的动力平衡，可以得到任意时刻时的运动方程：　　　　其中,,为的矩阵，分别表示这质点在时刻的加速度，速度和位移矢量：　　，，，　　，，为的矩阵，分别表示体系的质量矩阵，刚度矩阵和阻尼矩阵：　　　　在确定的地震加速度的情况下，引入连续性条件即可求解微分方程可以得到每一时刻各质点的加速度、速度和位移。建筑物在地震作用下的状况可运用ANSYS软件的时程分析技术进行分析，而其中采用完整的系统矩阵计算瞬态响应的Full法效果较为理想。　　2框架结构有限元模拟　　2.1有限元模型的建立　　以六层框架办公楼为例，柱截面尺寸为，主梁截面尺寸，次梁截面尺寸，楼板厚度，未隔

5、震时基本自振周期为0.6s。底层平面布置情况见图2.1。　　　　　　　　图2.1框架结构底层平面示意图　　在ANSYS中，柱和梁选用三维弹性梁单元Beam4，楼面板选用Shell63弹性壳体单元。ANSYS中虽然没有现成的隔震支座单元，但由于隔震支座的力学模型可简化为水平,方向上的弹簧加阻尼器以及竖直方向上的弹簧。由于ANSYS提供了bin系列的弹簧单元，这样我们可以用若干弹簧单元组合来实现隔震支座单元处的模拟。在水平,方向上选用bin40单元，竖直方向选用bin14单元构成隔震支座单元。　　水平,方向上的参数有等效刚度，屈后强度，屈服力以及结构阻尼。取bin4

6、0单元实常数为，，，连接bin40单元的两个节点坐标相同，。建立隔震建筑有限元模型如图2.2。　　　　　　　　图2.2隔震建筑有限元模型　　　　2.2模型计算工况　　分析隔震效果和比较不同隔震支座布置方案，共分3种工况进行计算：　　工况一：底层柱均未布置隔震支座和阻尼器；　　工况二：建筑外围底层柱布置阻尼器和隔震支座，中间柱只布置隔震支座；　　工况三：底层柱均布置阻尼器和隔震支座；　　2.3计算结果　　三种工况下的前三个振型的自振频率如下表所示　　表一：三种振型的自振频率　　　　　　　　对应三种工况，选取EL-Central波，截取前8s作为地震加速度输入，运用

7、ANSYS中的ADPL语言编程求解可以得到各种工况下的各层层间位移最大值如表二。　　表二：三种工况各层层间位移最大值及加速度　　　　　　　　三种工况下ANSYS分析得到的顶层位移、顶层速度、顶层加速度的时程反应图2.3、图2.4、图2.5。（黄色曲线代表工况一，粉红色曲线代表工况二，蓝色曲线代表工况三）　　　　　　　　图2.3：顶层位移时程反应图　　　　　　　　图2.4：顶层速度时程反应图　　　　　　　　图2.5：顶层加速度时程反应图　　　　3结论　　框架结构采用基础隔震体系，通过在基础顶面设置柔性橡胶垫降低了结构的水平刚度从而增大了结构的自振周期，使之远离地震

8、频率段以免发生共振，也就