SIMULIA获奖研究:Abaqus在建筑隔震分析中的应用

摘要  

采用隔震方案的建筑结构,在小震作用下,如果结构底部剪力可以减小50%,则按照规范规定,结构的设防烈度可以降低一度按照常规方法设计。本文通过时程分析方法,考察隔震结构在罕遇地震作用下的抗震性能,结果显示,在罕遇地震作用下,结构的整体响应,无论是位移角还是楼层的剪力,与小震方法得到的结果有着明显差异。算例中隔震支座对结构性能的改善,主要体现在结构的上部,在结构的中下部,隔震支座的作用被弱化,且不再满足规范中剪力降低50%这一关键要求。另一方面,非线性的引入也对结构的计算结果起到放大作用,结构方案的微小差异使结构表现出明显不同的抗震性能。

关键词:弹塑性, 时程,隔震, Abaqus




简介

中国是一个地震多发国家,在建筑结构的全生命周期中,地震作用是可能引起结构严重破坏的最主要原因。在设计过程中,通过选择合理的结构体系,保证结构具备足够的强度和刚度,从而使结构抗震性能满足要求。规范中有众多的具体条文来实现这一目标,比如:控制框架与剪力墙的剪力分担比例和倾覆力矩分担比例,从而实现框架剪力墙结构和框架核心筒结构的二道防线;控制混凝土构件的轴压比,保证混凝土结构的延性;采用合理的配筋方案,保证墙柱弱梁、强剪弱弯和强节点等原则;以及通过剪重比控制结构的整体刚度等。

除了规范中上述传统设计方法,还可以通过增加阻尼构件或者耗能构件,提高结构的耗能能力,减小对主要承重构件的地震能量输入。这种方法几乎可以适用于所有结构,因此在高层设计中被广泛采用。


另一方面,采用隔震方法减小地震能量的输入,则可以降低结构整体在地震作用下的破坏,但由于隔震通常不适用于高层结构[2],在一般多层中采用又会大幅提高成本,且相关规范不够完善,因此在国内应用不多。


隔震结构的设计中,规范要求隔震结构相对于非隔震结构的底部剪力减小50%,则可以将结构的设防烈度降低一度进行常规设计[3]。因此,隔震设计的关键是增加隔震支座后结构的底部剪力。


本文采用Abaqus,通过时程分析的方法,对上述隔震结构的常规设计方法进行研究。算例的时程分析结果显示,在大震作用下,隔震结构的性能与小震弹性设计会存在明显差异,从而揭示了这一方法的局限性。



结构模型与小震设计


结构模型如图1所示,其中图1b增加了隔震层,采用隔震橡胶支座HDR400[4],橡胶层厚度75mm,竖向刚度K=2050000KN/m,水平等效刚度Kh=1080KN/mmm。屈服前刚度4030KN/m,屈服后刚度730KN/m,屈服剪力32KN。为了比较,原始结构模型采用两种方案:


M1: 剪力墙洞口2500*2500,剪力墙厚240mm

M2: 剪力墙洞口2000*2500,剪力墙厚280mm

小震弹性设计中,隔震支座采用等效侧向刚度计算结果(7度0.15g,设计地震分组第三组,场地类别II,特征周期Tg=0.45,地震影响系数最大值Alpha=0.12)。


周期结果列于表1,楼层剪力和位移角包络分别如图2和图3所示.





小震弹性计算结果表明,采用隔震支座后,两个模型的底部剪力都减小了约50%,因此按照规范设防烈度可以降低一度设计,但可以看出两个模型的位移角分布有明显差异。



材料及隔震支座定义


材料本构按照《混凝土结构设计规范》选用[5]。隔震支座采用Abaqus中的连接单元CONN3D2(CARTESIAN)模拟[6],如图4所示。

图4 CARTESIAN连接.


隔震支座竖向与水平向的力与变形曲线分别于图5a和图5b所示。



隔震与非隔震结果比较


采用图6所示人工波加载,分析M1,M2两个模型在采用隔震和不采用隔震情况下的抗震性能。

图6 地震波加速度时程



两个方向的楼层剪力包络对比分别如图7a和图7b所示,结果显示在结构的中下部,两个方向的楼层剪力减小幅度明显小于50%,尤其是x向结果。

X向楼层位移角包络如图8所示。结果显示,隔震对大震作用下的位移角影响主要体现在结构的上部,也说明在大震作用下的变形验算中,隔震支座作用被削弱。

结构底部剪力时程对比结果如图9所示。隔震支座使结构的频率明显降低,因此应该关注地震波中的长周期部分;在大震作用下,隔震支座使底部剪力减小,但相对于小震弹性这种作用被削弱。



图8 X向楼层位移角包络



图9 结构底部剪力时程



剪力墙核心筒混凝土的受压损伤如图10所示。结果显示,同样的隔震支座虽然在小震中得到几乎相同的计算结果,但在大震中,显然模型M2得到了更好的保护。

图10  核心筒混凝土受压损伤



结论


对于隔震结构,小震弹性设计方法要求地震作用下底部剪力减小50%,则结构的设防烈度可以降低一度进行常规设计。本文通过时程分析的方法,考察隔震结构在大震作用下的性能,结果显示,在大震作用下,结构的整体响应,无论是位移角还是结构的剪力,与小震结果都有明显差异,隔震支座对结构性能的改善,主要体现在结构的上部,对结构的中下部则较小,且不再满足规范中对剪力降低50%的要求。另一方面,非线性的影响会对结构的计算结果起到放大作用,使微小差异的结构方案在大震作用中表现出明显不同的抗震性能。




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