基于Abaqus的建筑结构隔震性能深入分析

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[1]。

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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