摘要：随着建筑产业的飞速扩张，日新月异的建筑造型应运而生，双塔、多塔连体结构亦随之发展。本文介绍了在ANSYS软件中隔震支座的合理建模，采用若干Combine单元串联来反应隔震支座的动力特性，进而将隔震支座应用于主体结构，在地震激励下对比了结构位移、加速度响应，以及关键部位构件的内力响应。
关键词：隔震支座；连体高层结构；隔震
随着经济、科技及建筑结构行业的快速发展，越来越多的复杂高层结构出现在世界各地，大跨度连体高层结构就是其中之一。同时，连体高层结构的地震响应复杂并难以预测，为提高这类结构的抗震安全性，以某实际工程为结构原型进行研究，通过控制效果的比较分析隔震技术在连体高层结构上的适用性。
一、隔震支座概述
隔震支座是指结构为达到隔震要求而设置的支承装置，是在上部结构与地基之间增加隔震层，安装橡胶隔震支座，起到与地面的软连接，通过这样的技术，可以把地震80%左右的能量抵消掉。它是一种水平刚度较小而竖向刚度较大的结构构件，可承受大的水平变形，可作为承重体系的一部分。
二、有限元模型的建立
1、连体结构模型。本文隔震结构的受控主体选取以某市实际连体高层结构为原型，因重点研究的是隔震支座的减振效果。因此，建模过程中，在保证动力特性相近的前提下对结构模型进行适当简化。在ANSYS中建立了15层双塔连体结构模型，如(图1)所示。该模型双向柱网尺寸均为8.4m，每层层高为3.6m，连接体位于第11～14层，标高在36.0～50.4m，采用钢框架结构，跨度为8×8.4m=67.2m。两个主塔楼的混凝土梁柱结构采用3D弹性梁单元BEAM4，连接体采用Q345B钢。为便于计算，钢筋混凝土的密度统一为2500kg/m3，泊松比取为0.2，钢材的密度统一为7800kg/m3，泊松比为0.3。此外，在地震中，高空连廊应重点关注的区域，已有很多震害表明，连体结构的连廊在地震中易发生倒塌现象而引起危险。
图1 连体高层结构ANSYS模型
式中，a代表屈服后与屈服前剪切刚度的比值，即=Kp／Ke；为屈服力；为屈服位移，Ke和Kp分别为屈服前后刚度，Fb为隔震支座恢复力；ub为隔震支座位移。
图2 双线性模型示意图
在ANSYS中并没有任何单一单元的属性可准确符合隔震支座的动力特性，因此本文根据隔震支座力学模型特点，选用若干单元结合的方式进行建模。首先，将隔震支座视为由水平双向弹簧单元和水平向粘滞阻尼器，竖向弹簧组成。其中，水平向的连接弹簧应具有如式(1)表述的非线性特性，而竖向弹簧则为线性弹簧。而以需要用到的线性和非线性连接单元可分别用Combine和Combine40模拟。
三、大跨度连体高层结构的隔震仿真分析
1、抗震及隔震结构动力特性对比。加入隔震支座后，结构动力特性有了很大的变化。安装隔震支座后的连体高层结构自振周期显著延长，其中前阶模态的自振周期均延长了一倍以上。
2、地震激励下结果对比。以下数值仿真中选用El Centro波实测地震记录进行地震输入，依据结构原型所处位置的设防烈度在计算过程将地震激励幅值调整为0.2g进行分析，激励过程考虑双向地震分量的影响，根据2010版抗震规范中的规定，将长轴向和短轴向地震加速度峰值之比设置为1：0.85。
此外，在隔震方案中，结构顶层长轴向的加速度峰值为0.804m/s2，抗震结构则为1.709m/s2，减震率达到了约52.93％。对比结构短轴向的地震响应也有类似的结果，加速度响应从原来的1.597m/s2下降到0.696m/s2，减震率也达到约56.40％。
研究连体结构部分关键构件的内力响应，选取高空连廊与主塔结构连接区附近易产生应力集中的杆件，以及连廊跨中区域附近的杆件进行分析。对比抗震结构和隔震结构相同位置、同一根杆件的内力时程。从时程曲线对比可知，隔震后构件的内力响应相对抗震结构而言震荡有了明显减弱，构件的内力峰值也都有了明显下降。其中，连接区水平杆的内力峰值从原先的34.5 MPa减小为14.1 MPa，减震率达到了约60％。而其他两根关键杆件的内力峰值的减振效果也都分别达到了约65％和62％。
另外，从对比结构沿纵向和横向的最大位移响应可知，隔震方案增大了结构的绝对层位移，抗震方案的最大层间位移响应主要集中在结构的5～8层附近，而在采用隔震技术后，这些层沿水平双向的位移地震响应受到了明显抑制，相比而言，隔震支座对结构纵向的控制效果要好于横向，对峰值反应的减振效果超过了约60％。
3、隔震支座的刚度对控制效果的影响及建议取值。研究隔震层水平刚度对隔震体系控制效果的影响。在以下计算中，为使数值模拟能更好地符合隔震支座的特性，将屈服前后刚度比取值锁定。由于过小的水平刚度难以保证隔震结构在强风和小震条件下的稳定性，经过试算，确定水平刚度的初始值取为1×106N/m。计算中将水平刚度K1值从1×106N/m至10×106N/m之间取值。同时，对不同取值时的结构加速度、位移响应进行比较，从其结果可知，若水平刚度取值大于4×106N/m，随着水平刚度的增大，顶层的节点沿水平双向的加速度响应也在不断增大，控制效果相应降低。当水平刚度增大至10×106N/m时，可知顶层的相对隔震层的位移超过了隔震层的位移，控制效果基本为零。考察位移响应发现这时隔震结构与抗震结构的位移响应相差不多。这说明在大跨度连体高层结构中布置铅芯橡胶隔震支座时，水平刚度的选取存在一个合理的范围内，过大或过小的刚度取值都将影响减振效果。
为保证隔震结构在强风和小震条件下保持稳定，隔震层必须具有足够的初始刚度即屈服前刚度。另外，若水平刚度过小，在罕遇地震下，隔震层的水平位移过大，造成隔震层的失效。因此，在选取隔震支座的水平刚度时，要确保隔震结构的可靠性要求，避免支座的先破坏。对本文结构，在综合考虑顶层加速度、隔震层位移、顶层相对隔震层位移及保汪隔震支座可靠性等方面，隔震支座的水平刚度取为4×106N/m最合适。
四、结语
近年来，社会和经济的发展使人们的审美和对建筑艺术性、建筑外观的要求在不断地提高。国内外一些造型新颖的超限、新型的结构类型都在不断涌现。其中，连体高层结构以其恢弘的建筑外观备受人们的喜爱和推崇。
参考文献：
[1]王克成.带连廊的建筑结构抗震性能分析[J].西安理工大学学报，2014．
[2]李征宇.大跨高层连接体建筑结构动力分析[J].建筑结构学报，2015．
[3]范重.带有双塔楼高层建筑结构动力特性分析[J].建筑结构学报，2014.
论文作者:石文恒
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/8
标签：结构论文; 支座论文; 刚度论文; 位移论文; 水平论文; 高层论文; 加速度论文; 《防护工程》2018年第21期论文;