平面不规则隔震结构的弹塑性时程分析

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　　平面不规则隔震结构的弹塑性时程分析第一章绪论1.1引言从古至今，地震对人类的迫害一直都非常严重。我国因处在几个地震带上，使我国成为地震发生极多的国家。地震的发生也给我们国家带来了很多的灾害。据不完全统计，在之前的一百年里，全球大陆发生的七级以上的地震中，大约有35%的地震发生在我国⑴。在历史上我国曾有二十几个城市在地震中毁灭，其中包括唐山、泣川、玉树等城市，受伤和死亡的人数众多，造成的经济损失也很大。1978年，我国的河北唐山发生了7.8级的强烈地震（图1.1),使这个有百年历史和百万人口的城市毁于一旦，24万多人失去生命，8千多个家庭断门绝户，有三万平方公里的地区受到了地震的破坏，这次的地震是我国乃至世界上都少见的一次大地震。2008年我国汶川县发生了 8.0级地震（图1.2)，有13万多平方公里的地区受到灾害，近9万人失踪或死亡2010年的玉树地震如图1.3所示，7.1级地震，被评选为该年全球十大地震之一，此次地震造成2000多人遇难，近90%的房屋倒塌或受损，带来了超过3亿的财产损失[4]。地震的发生往往造成很大的迫害以及损失。主要是因为地震发生时，大量的地震能量释放出来，使建房屋等各种建筑物发生破坏，甚至倒塌。在世界上所发生的地震中，有文献统计显示，因为建筑物破坏造成的伤亡高达90%-95%。以此，要降低地震发生引起的灾害，就必须提高结构的抗震能力，这才是关键问题[5]。.1.2结构隔震技术 传统的结构设计都是增加结构的刚度或者强度，以及保证结构的延性，以此来达到抗震的要求，应对地震的发生。对结构设计的进展主要可以归纳为三个阶段：刚性结构体系、柔性结构体系以及延性结构体系，延性结构体系中结钩构件在地震作用下会发生塑性变形，从而吸收地震能量。这种体系是目前为止各个国家都广泛采用的。然而，实际上，地震中的地震波总是随机发生的，另外，在实际的工程中，结构发生的塑性破坏也是很复杂的，研究人员很难对结构的破坏程度做出准确的估计。其次，对于一些重要的建筑结构，需要保证结构在地震中能够绝对的安全，不允许这些结构的构件进入弹塑性状态，故而，对结构的抗震性能就有了更高的设计要求。由于传统的抗震结构设计方法存在着上述的不足与缺点，研究人员提出了新的抵抗地震作用的结构设计理论：工程减隔震控制技术。减震控制技术就是在结构的抗侧力构件中加入阻尼器，通过阻尼器的变形来吸收和耗散地震能量。隔震技术通过隔震层的变形来吸收地震能量，从而隔离地震力。隔震技术是在结构中加入的像胶塾、阻尼器等隔震装置组成隔震层，通过隔震层的变形来吸收地震能量，从而隔离了地震力，使传至上部结构的地震力大大减少，以此来提高结构的抗震性能。将隔震装置安装在结构的层与层之间时，被称为层间隔震技术。将隔震装置安装在基础之上，结构以下时，被称为基础隔震技术。隔震层一般主要是由隔震支座组成的。有些时候还会加入阻尼器，提高隔震装置的阻尼来耗散地震能量，以提高隔震的效果。目前釆用最多的隔震塾是橡胶隔震支座[7]。橡胶隔震支座根据具体的使用要求仍可以进行分类，具体在后续章节中介绍。..第二章隔震结构体系概述2.1隔震结构体系的概念及分类 隔震技术就是在结构的层与层之间安装隔震装置，以隔震层为界，将结构的上部与下部隔离，很大一部分的地震能量被隔震层吸收，传递到上部结构的地震力大为减少，以此来达到隔震地震作用的效果。隔震体系一般可按照隔震装置的不同进行分类，有叠层橡胶隔震支座、摩擦滑动、滚动隔震装置等。在这几种隔震装置中，橡胶隔震支座是最为普遍使用的，在所有此类结构中大约占有90%之多[7]。天然橡胶支座（如图2.1、2.2所示）是由连接钢板、橡胶层和夹层钢板组成，连接钢板就是用来连接隔震支座与上下部结构，樣胶层与钢板分层布置形成隔震支座，起到隔震的作用。在天然樣胶支座的中间插入铅芯之后，可以提高棵胶支座的阻尼，就是铅芯橡胶支座（如图2.3所示）。在天然橡胶中加入一些外加剂，以达到增强其阻尼的效果，这种支座被称为高阻尼橡胶支座。隔震装置可以安排在结构中不同的地方。把隔震装置放置于结构的底部的时候，就是基础隔震。把隔震装置放置与结构层与层之间为层间隔震。..2.2隔震体系的工作机理 对于隔震体系的工作的原理一般从以下几个方面来考虑[9]:隔震支座首先要具有一个比较大的且合理的竖向刚度。其竖向刚度要能够承担隔震层以上的所有重量及荷载。另外，还要能使隔震体系的竖向自振周期与上部结构的自振周期以及场地的特征周期有所差距，以减小传递到上部结构的竖向地震作用。通常隔震支座的水平刚度要比其以上部分的水平刚度小。在地震作用下，使得变形就发生在隔震层，上部结构的震动就会变得缓慢且接近与整体的平动，其周期变得缓慢，也就减小了上部结构的地震反应。隔震支座的具有很强的水平恢复力，在变形之后能很快恢复到原位，使结构在地震后仍能正常使用。隔震结构中，隔震层以上的刚度要比隔震层的大很多。在地震力作用下，上部结构的振动几乎为平动，故而可以近似地把隔震层以上的结构简化成一个质点（图2.4所示)，隔震装置的刚度可近似代表整个隔震结构的刚度，结构的阻尼也釆用隔震装置的阻尼，此类型的分析模型主要用来研究隔震层的动力反应。天然橡胶支座的水平力和变形的关系常为线性，铅芯橡胶支座就需要进行非线性恢复力特性的模型化，常用的模型有等效线性模型、双线性模型、,宽45.9ra，横向平面四进尺寸为36.3ni，纵向平面四进尺寸为27.3in，均大于相应边长的30%，由抗震规范可知该项目属于平面不规则结构。本文采用SAP2000对上部结构和隔震层进行模拟分析。梁、柱、楼板单元的配筋按照SATWE计算得到的结构施工图输入，结构构件的模拟如第三章所述，考虑楼板配筋的影响。首先建立与SATWE对上部结构进行简化设计时相同的分析模型(如图4. 3所示），将隔震支座近似考虑为柱底绞接，定义该分析模型为简化模型。结论通过本文的研究分析得到以下主要结论：(1)对于小跨框架结构，现行规范中建议的梁刚度放大系数可能偏小；在强震作用下，楼板配筋对框架结构的塑性铰分布模式和抗震性能均有较大影响，总体不利；工程抗震分析和研究中应根据实际情况考虑楼板配筋的影响；在框架梁的配筋设计中应避免较计算结果超配筋现象，可能情况下可进行适当折减。(2)隔震后，结构各楼层的剪力系数随着楼层的增加均勾增大，且增幅较小，平均不超过10%;在小震、中震、大震作用下结构顶层加速度峰值分别为输入地震波峰值的64%、43%、38%,随着地震强度的增加，减震效果提高。 (3)隔震后，结构在中震作用下层间位移角最大值为1/558，未出现塑性较，处于弹性状态，在大震作用下层间位移角最大值为1/216,上部结构包括隔震层的部分构件进入塑性屈服状态，塑性铰主要集中在吸收地震力较多的边框架梁端，设计中应对其加强，在隔震层的设计中应对梁的刚度和配筋同时进行放大。(4)大震作用下，依据上部结构简化方法设计的简化模型与考虑隔震支座的真实模型相比，层间剪力、除隔震层外的层间位移以及顶层加速峰值均为隔震模型的2.2倍左右，并随着楼层的增加结构响应增大；简化模型中的塑性铰较隔震模型明显增多，塑性程度高，且有柱破坏的现象，隔震模型的上部结构基本保持完好，仅部分构件进入塑性，说明对于平面不规则隔震结构，现行的上部结构简化设计方法较为安全，且有很大的安全储备空间，可对上部结构进行简化设计。............