隔震结构采用反应谱法与时程分析法计算减震系数的对比分析探讨

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论文字数:42211 论文编号:sb2022010419250342259 日期:2022-01-13 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本论文详细介绍了隔震技术在当今的主要发展状况,隔震结构由于具有非比例阻尼特性因而传统的反应谱法不能适用于隔震结构。本文通过一幢隔震模型,详细的分析隔震结构水平向减震法的特点,研究过程中得到如下主要成果与结论: (1)第二章介绍了减震系数法计算流程。

第1章  绪论

1.1  引言
地壳剧烈运动而形成的地震对人类的生产生活造成了严重的影响。2008 年四川汶川发生 8.0 级大地震,遇难人数达七万多人,给中国人民带来了严重的灾难。汶川地震后,全球地震灾害仍在不断的发生,图 1-1 统计了 2000 年到 2019年我国地震灾害次数[1]。 
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一个地区发生地震,其造成的损失主要是由于建筑结构坍塌而造成人类安全威胁和物质损坏。因此,如果要减少和避免地震灾害,其中一个重要的办法就是加强建筑结构的抗震能力,使建筑物在地震作用下少倒塌或者不倒塌。为了实现这一目的,传统的抗震理论认为应当增加建筑结构受力构件的截面、增加受力构件的配筋来增强建筑结构的刚度和强度,同时实施一定的措施保障结构的延性储备,依靠自身的强度和塑性变形来吸收地震能量,使得建筑物在罕遇地震下不至于倒塌。然而,这种方法有一个明显的缺陷就是随着地震烈度的提高,建筑结构所需的强度与刚度也需要不断的增加,不仅增加了建筑的建设成本,而且随着建筑物刚度的增加,结构周期减小,地震作用也会有变大的趋势。隔震与消能减震技术为建筑结构的设计提供了一个新的途径。尤其是隔震技术,可以有效的减轻传递到上部结构的地震作用,对保护人民的财产安全、减少震害具有明显的经济效益和社会效益。
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1.2  隔震技术国内外的发展现状
1.2.1  国外的隔震技术的发展
隔震思想的最早提出,是日本学者河合浩藏[4]于 1881 年提出。他在论文《地震时不受大震动结构》中提出,如何减弱地震作用传递给建筑结构作用力的想法,通过在混凝土基础下部铺设多层圆木,形成类似的柔弱层而达到减震的目的。
1906 年,德国学者 J.Bechtold 首次实现了基本的隔震结构,采用在上部结构与基础之间增设圆球的方式,通过圆球的滚动达到了隔绝地震能量的作用[5]。三年后,英国的 J.A.Calantarients 也提出了相同的想法,并且第一次为具有隔震思想的装置申请了专利。J.A.Calantarients 采用滑石与云母取代替了圆球,将其置于上部结构之下,在地震作用下,位于隔震层的滑石与云母将会发生相对的错动,减弱了上部结构所受到的地震能量[6]。
随着隔震结构的不断发展,隔震技术逐渐应用到了更多的建筑。1921 年东京帝国饭店的建成,标志着建筑史上第一幢真正意义上的隔震结构建成。设计者将东京帝国饭店建在了深度约为 18 米的软土层上,地震发生时,18m 的软土层将会起到良好的隔震作用。东京帝国饭店在之后发生的 7.9 级关东大地震中基本完好无损,显示了无与伦比的隔震能力。
隔震层的主要作用,就是将上部结构与基础分离开来,隔绝从基础传递到上部结构的地震能量。在 1927 年,中村太郎根据消耗能量的思想[7],首次在隔震装置上增加了阻尼器装置,通过增加阻尼器从而增加隔震层的阻尼,达到更好吸收地震能量的目的,如图 1-3 所示。同年的 9 月,美国科学家 R.R.Martel[8]提出了基础柔性底层的隔震方式,在发生地震时,这种结构发生的变形主要集中在底层。几年之后,美国采用 FFS 方式建造了一幢医院,但在一次地震中,采用这种隔震方式的建筑却发生了严重破坏,说明 FFS 隔震方式还存在一定的缺陷。
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第2章  减震系数采用时程分析法计算

2.1   减震系数法理论介绍
目前,根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2011(2016 年版)规定,隔震结构的计算采用分部设计法。水平向减震系数的计算,关键的问题在于地震波的选用以及隔震层参数的确定。由于地震动的选用无法唯一确定,不同的设计人员计算得到的减震系数将会有很大的离散性。本章选取了三组地震波对一幢隔震结构进行水平向减震系数计算,验算隔震支座在罕遇地震下拉、压应力,分析不同地震动的选取对水平向减震系数差异的影响。
虽然减震系数法使得隔震结构可以与非隔震结构一样计算,但是这种计算方式存在一些明显的不足:
(1)隔震结构的受力方式与常规结构有明显的不同,在受力方式明显不同的情况下采用分部式算法会使得计算严重的失真,使得结构设计失去安全性意义。
(2)时程分析法计算依赖于地震波,虽然规范对地震波的选取有一定限制要求,但不足以完全规范地震波。不同设计人员选择不同地震波计算的减震系数将会存在较大的差异。
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2.2   隔震结构减震系数计算
2.2.1 上部结构平面布置
计算模型为钢筋混凝土框架结构,包括隔震层共 7 层。建筑类别为丙类,使用年限为 50 年,地面粗糙度为 B 类;结构所在地区抗震设防烈度为 8 度(0.20g),二类场地,设计地震分组第二组。建筑平面尺寸为 30m×12m。柱截面尺寸为700mm×700mm,梁截面为 700mm×300mm。混凝土强度等级为 C30。隔震层层高 1.5m,标准层层高 3.0m,建筑总高 19.5m。
采用 ETABS 建立隔震结构模型,模型共七层,第一层为隔震层,2~6 层为标准层,第 7 层为屋面结构层。模型中采用 Isolator 单元模拟隔震支座单元,梁单元采用杆单元模拟,混凝土现浇板采用膜单元模拟。
本章采用基于《抗震设计规范》的减震系数法,采用时程分析法计算了一幢隔震模型的减震系数。模型主要采用为一幢七层的框架结构模型,地震设防烈度为 0.45g。本节中挑选了三组共二十一条地震波进行隔震结构的时程分析计算, 三组地震波的分组主要根据每组地震波平均反应谱在隔震周期与隔震周期段的反应谱数值的大小,在非隔震周期段,三组地震波平均反应谱谱值从大到小依次为第一组、第二组与第三组。在隔震周期段,三组地震波平均谱的谱值从大到小依次为第三组、第二组与第一组。通过三组地震波的时程分析计算,计算减震系数,可以得到以下结论: 
(1)第一组地震波计算的减震系数为 0.31,第二组计算的减震系数为 0.34,第三组为 0.35。三组计算的减震系数各不相同。
(2)三组地震波计算的减震系数与地震波平均谱存在一定的对应关系。第三组计算的减震系数偏大,是由于第三组地震波平均谱在隔震周期段反应谱数值较大,在非隔震周期段数值较小,导致第三组地震波计算的非隔震楼层剪力较小,而计算的隔震楼层剪力较大,使得最终的减震系数偏大。而第一组计算的减震系数偏小,是因为第一组地震波平均反应谱在隔震周期段反应谱数值小,在非隔震周期段数值偏大,导致第一组地震波计算的非隔震楼层剪力较大,而隔震楼层剪力较小,使得最终的减震系数偏小。
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第 3 章  反应谱法计算水平向减震系数 ................................ 23
3.1  复振型分解反应谱法理论 ......................................... 23
3.2  隔震层的等效刚度与等效阻尼比 ............................................... 28
第 4 章  隔震结构采用时程分析法与相应地震波反应谱计算减震系数 ............... 49
4.1  地震波生成地震波谱方法 ....................................... 49
4.2  地震波反应谱法计算减震系数 ........................................... 50 
第 5 章  结论与展望 ........................................ 65
5.1  主要结论 .............................................. 65
5.2  研究展望 .................................... 66

第4章    隔震结构采用时程分析法与相应地震波反应谱计算减震系数

4.1地震波反应谱法计算减震系数
4.1.1 隔震结构阻尼比的调整
本节采用了第三章中三条地震波(天然波 CHI3271、天然波 CHI3187 与人工波 AWW1)进行计算。采用 YJK 软件生成人工波 AWW1 时程曲线与相应地震波反应谱曲线,利用 SeismoSignal 软件生成 5%阻尼比、10%阻尼比、20%阻尼的地震波反应谱曲线,与相应阻尼调整后的规范谱相比较,计算结果如图 4-1 所示[48]。
土木工程论文参考
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第5章  结论与展望

5.1   主要结论
本论文详细介绍了隔震技术在当今的主要发展状况,隔震结构由于具有非比例阻尼特性因而传统的反应谱法不能适用于隔震结构。本文通过一幢隔震模型,详细的分析隔震结构水平向减震法的特点,研究过程中得到如下主要成果与结论:
(1)第二章介绍了减震系数法计算流程。通过一幢隔震模型算例,选用三组地震波进行时程分析法计算,第一组计算的减震系数为 0.31,第二组结果为0.34,第三组结果为 0.35。分析三组地震波反应谱,发现三组地震波反应谱在非隔震周期段反应谱值从大到小依次为第一组、第二组、第三组,每一组计算的非隔震结构楼层剪力从大到小依次为第一组、第二组、第三组;在隔震周期段反应谱值从大到小依次为第三组、第二组、第一组,三组地震波计算的楼层剪力从大到小依次为第三组、第二组、第一组。结果表明三组地震波在隔震周期段与非隔震周期段的反应谱值大小最终会反应到减震系数的大小。三组地震波计算的减震系数各不一样表明采用时程分析法计算减震系数具有一定的不合理性。 
(2)第三章采用反应谱法进行水平向减震系数的计算。对比隔震支座两种等效方式,100%等效刚度为 1867kN/m,迭代之后的等效刚度为 2180kN/m。采用两种等效进行减震系数计算,迭代法计算的减震系数为 0.36,100%等效法计算的减震系数 0.38,对比两种等效方式隔震楼层剪力,发现迭代后的楼层剪力普遍小于 100%等效法楼层剪力。采用三条地震波进行时程分析法减震系数计算,三条地震波减震系数结果与反应谱法减震系数结果表明,规范反应谱与地震波反应谱在隔震周期段与非隔震周期段的反应谱值大小对减震系数计算有明显影响。如果地震波反应谱在隔震周期段反应谱值小于规范谱值,在非隔震周期段大于反应谱值,则地震波时程分析法计算的减震系数会小于规范谱减震系数结果,反之则会大于规范谱减震系数结果。
(3)对比不同阻尼比下地震波反应谱与相应阻尼比规范谱,发现地震波反应谱在长周期段的谱值下降较规范谱快,并且随着阻尼比的增加,这种现象就越明显。采用地震波反应谱计算减震系数,其结果表明,同 100%等效法楼层剪力结果相比,迭代之后的楼层剪力结果不管是从楼层剪力的大小还是变化趋势上都在向时程分析楼层剪力结果靠近,迭代之后的减震系数也更加靠近于时程分析法减震系数结果。
参考文献(略)