采用隔振技術(shù)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

高紅偉 姚 勇 褚云鵬
　　（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010）
　　摘 要：結(jié)合某冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)采用隔振橡膠支座與原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，將兩種結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)、層間位移響應(yīng)對(duì)比分析。結(jié)果表明：進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，隔振結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)小于原有結(jié)構(gòu)，最大約減少50%；隔震結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)大于原有結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)；隔振結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件小于原有結(jié)構(gòu)，層間位移響應(yīng)較小。
　　關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼；隔振技術(shù)；加速度響應(yīng)；位移響應(yīng)

　　0 前 言
　　20世紀(jì)60年代以來(lái)，新西蘭、日本、美國(guó)等多地震的國(guó)家對(duì)隔震系統(tǒng)投人相當(dāng)多的人力物力，開(kāi)展了深入系統(tǒng)的理論、試驗(yàn)研究，取得了卓有成效的成果[1]。隔震技術(shù)的本質(zhì)作用就是使結(jié)構(gòu)和(或)構(gòu)件與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)來(lái)。這種分離或解耦是通過(guò)增加系統(tǒng)的柔性和提供適當(dāng)?shù)淖枘醽?lái)實(shí)現(xiàn)的[2]。1993年，中國(guó)建筑科學(xué)研究院在新疆獨(dú)子山建造一棟采用聚四氟乙烯板和鋼阻尼并聯(lián)的五層磚混結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著我國(guó)隔振技術(shù)進(jìn)入了新的階段。
　　冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用于新農(nóng)村建設(shè)及牧區(qū)沙漠等缺乏建筑材料地區(qū)具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[3]。2008年“汶川地震”后憑借其可快速為災(zāi)后人民提供居住場(chǎng)所被人所熟知。冷彎薄壁型鋼屬于輕鋼結(jié)構(gòu)，本身就具有較好的抗震性能，科研人員對(duì)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)已做了大量的實(shí)驗(yàn)與理論研究[4]~[6]。但冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)采用隔振技術(shù)很少有人研究。
　　文中結(jié)合某三層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，對(duì)采用隔振技術(shù)和普通結(jié)構(gòu)形式兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探究其在地震下加速度、位移等抗震性能是否有很大改善，并綜合評(píng)價(jià)隔振后結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，最后給出了一定的評(píng)價(jià)。
　　1.模型的驗(yàn)證
　　1.1 實(shí)驗(yàn)試件
　　文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了冷彎薄壁型鋼墻體實(shí)驗(yàn)與整體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)試件為10片1:1雙面覆板（OSB板+石膏板），立柱及斜撐桿均為C型鋼，型號(hào)為C9010，上下導(dǎo)軌及剛性橫撐為冷彎槽鋼，導(dǎo)軌型號(hào)為P9016，橫撐型號(hào)P9010.石膏板厚度為10mm，寬×高為1.2m×3m；OSB板厚度為12mm，寬×高為1.22m×2.4m。自攻螺釘連接，鋼構(gòu)件截面形式尺寸如圖1和表1。

　　選取文獻(xiàn)[7]中部分實(shí)實(shí)驗(yàn)試件與數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證模擬，試件分類(lèi)、編號(hào)及加載方式如表2。
　　1.3 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比
　　本文參考文獻(xiàn)[4]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SAP2000中Pivot模型進(jìn)行墻體分析，各試件實(shí)驗(yàn)所得到的荷載-位移曲線與計(jì)算得到的荷載-位移如圖2。
　　由荷載位移曲線可得墻體的骨架曲線。WSC-1、WDO-1實(shí)驗(yàn)與模擬如圖3。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果得到的荷載-位移曲線與骨架曲線基本一致，表明計(jì)算方法能很好的模擬墻體的強(qiáng)度退化、剛度退化和捏縮效應(yīng)。計(jì)算得到的骨架曲線與實(shí)驗(yàn)得到墻體的骨架曲線吻合較好，可做更進(jìn)一步研究。

　　2.三層冷彎薄壁型鋼整體房屋
　　整體模型平面尺寸設(shè)計(jì)為5.1m×5.1m，設(shè)兩個(gè)開(kāi)間，模型平面圖為4，層高3m 共三層，立面圖與荷載參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。運(yùn)用上述墻體模型建立三層冷彎薄壁型鋼整體房屋。得到結(jié)構(gòu)的前3階頻率及質(zhì)量參與系數(shù)如圖5，與文獻(xiàn)[7]對(duì)比如表3。

　　結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)分別對(duì)應(yīng)y 方向整體平動(dòng)、x方向整體平動(dòng)和整體的扭轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足一般規(guī)定。該建筑物高度為9m。根據(jù)日本、美國(guó)對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅自振周期計(jì)算公式[8]

　　計(jì)算得到周期為T(mén)=0.27s和T=0.26s，由T=1/f得模型第一周期為0.25s，驗(yàn)證了模型的合理性，為后續(xù)分析奠定了基礎(chǔ)。
　　3 隔振結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)
　　3.1 隔振模型的建立
　　隔振結(jié)構(gòu)有限元模型是在原有結(jié)構(gòu)底部添加隔振支座，隔振支座采用橡膠支座，上部結(jié)構(gòu)不變。橡膠支座參數(shù)如表4。

　　3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比
　　計(jì)算隔振結(jié)構(gòu)房屋的自振頻率和振型，如表5。
　　由表5可以看出，隔振結(jié)構(gòu)自振頻率小，約為普通結(jié)構(gòu)的0.5倍，表明隔振橡膠支座的存在使得結(jié)構(gòu)柔性增加，結(jié)構(gòu)周期有較大的增大。
　　3.3 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)
　　根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[9]選?、蝾?lèi)場(chǎng)地、第二組、8度罕遇地震反應(yīng)譜，通過(guò)反應(yīng)譜生成一組人工地震波，如圖6。

　　3.3.1 響應(yīng)分析
　　隨著建筑物高度增加，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)越強(qiáng)烈，選取頂層21號(hào)節(jié)點(diǎn)如圖5，原有結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在人工時(shí)程波作用下加速度響應(yīng)如圖7，位移響應(yīng)如圖8；首層是結(jié)構(gòu)的薄弱層，首層層間位移響應(yīng)如圖9。
　　由圖7、圖8、圖9可以得到：
　?。?）罕遇地震下，隔振結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)小于原有結(jié)構(gòu)，約減少50%；表明罕遇地震下橡膠支座發(fā)揮了隔振的作用；
　?。?）隔振結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)出現(xiàn)了位移偏移平衡軸的現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是底部橡膠支座在地震作用下出現(xiàn)疲勞的原因，表明隔振支座的類(lèi)型對(duì)結(jié)構(gòu)隔振有較大的影響。
　　（3）采用隔振橡膠支座后結(jié)構(gòu)頂層最大位移24.2mm遠(yuǎn)大于普通結(jié)構(gòu)7.6mm，表明隔振橡膠支座的存在使結(jié)構(gòu)變?nèi)?，整體剛度削弱，在多遇地震（彈性分析）下結(jié)構(gòu)響應(yīng)是否表現(xiàn)出與罕遇地震類(lèi)似的現(xiàn)象有待繼續(xù)研究。
　?。?）隔振結(jié)構(gòu)比原有結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)要大，罕遇地震時(shí)隔振結(jié)構(gòu)層間位移最大值約為原有結(jié)構(gòu)的1/3，表明建筑物采用隔振處理后，在地震作用下由原來(lái)X方向的平動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)整體平動(dòng)，上部結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，橡膠支座發(fā)揮了其變形、耗散地震能量的作用。但采用隔振設(shè)計(jì)的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)減震效率并不像采用隔振技術(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)有很高的性能。

　　3.3.2 墻體響應(yīng)
　　選取底層1號(hào)墻體，其相應(yīng)如圖10。
　　由圖10可以得到：普通結(jié)構(gòu)首層墻體在8度罕遇地震下底層墻體已進(jìn)入了塑形階段，而隔振結(jié)構(gòu)依舊處于彈性階段。隔振結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力小于普通結(jié)構(gòu)，這保證了結(jié)構(gòu)的安全。
　　4 結(jié) 論
　　罕遇地震下，隔振結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)低于原有結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了隔振設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)；隔振結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)峰值大于原有結(jié)構(gòu)，最大約放大4倍，橡膠支座的存在使結(jié)構(gòu)整體剛度變?nèi)?；隔振結(jié)構(gòu)由原來(lái)的X 向平動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎w結(jié)構(gòu)的平動(dòng)，層間位移減小，整體性增強(qiáng)，提高了建筑的適用性。
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