山东建筑大学 土木工程学院 山东济南 250101
摘要：随着抗震技术的发展，隔震技术得到越来越多的应用，本文介绍了抗震理念的发展，隔震的基本力学原理，借助有限元分析软件ANSYS，对虚拟案例进行基础隔震和非隔震三维模型的模态分析和地震时程分析，结论：基础隔震多层框架的地震响应明显小于非隔震框架的地震响应。
关键词：抗震设计；隔震技术；隔震加固；ANSYS软件；时程分析
1 隔震结构特征
隔震结构是指在建筑物上部结构和基础之间设置隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，增大阻尼，减小输入上部结构的地震作用，从而达到预期的防震要求。在地震作用下，传统的抗震结构基础稳定，上部结构产生弯曲和剪切变形，层间位移相对较大，而隔震结构在基础和上部结构之间设置了隔震支座，当发生地震作用时，隔震支座会产生大的位移，但同时上部结构基本为平动，层间位移会很小，上部结构的加速度可以减小到传统抗震结构的1/5~1/3。
2隔震原理
典型地震动的卓越周期约为0.1~1.0s，因此自振周期为0.1~1.0s的中低层结构在地震时容易发生共振现象并破坏，隔震系统通过减少结构刚度使得结构自振周期增大，从而避开地震动卓越周期，避免了共振和接近共振现象的发生，较大程度地减少了上部结构的地震作用，从而达到隔震的目的。
目前国内所采用的隔震，主要是起到隔离水平地震的作用，就水平刚度而言，隔震层远小于上部结构的侧向刚度，因此可将上部结构近似为一个刚体，设结构的总质量为m，绝对水平位移为y，地震动的水平位移为xg，隔震层的水平刚度为k，阻尼系数为c，则隔震系统的运动平衡方程为
式中 ，，
R绝对隔震传递率，R值越小，表示上部结构所受的地震作用越小，也就是说隔震效果越好，另外，当地震动与隔震结构的频率比时，隔震系统才有隔震能力，若频率比越大，则隔震能力越强。
3 计算模型的建立
3.1计算虚拟案例
某5层框架办公楼，层高均为4m，房屋总高度为20m，抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅱ类，设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，地震基本加速度为0.2g。构件尺寸：柱600mm×600mm，主梁400mm×800mm，次梁300mm×500mm，楼板厚为200mm。采用C30混凝土。为了计算方便，统一取钢筋混凝土的密度为25KN/m3，弹性模量取3.0×1010pa，泊松比为0.2。
3.2 计算单元模型的确定
3.2.1 梁、柱、板单元
在此虚拟案例中，梁、柱单元是ANSYS有限元软件中的beam188模拟。板采用的是shell63单元模拟，该单元具有弯曲能力、膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。
3.2.2 隔震单元
因ANSYS软件中没有直接的单元用来模拟和代替隔震支座，故用两种单元组合共同代替隔震支座。在水平方向上选择ANSYS有限元软件中的combin40单元，该单元通过两个节点、两个弹簧常数K1和K2（力/长度）、一个阻尼系数C（力×时间/长度）、一个质量M（力×时间2/长度）、一个间隙大小GAP（长度）和一个界限滑移力FSLIDE（力）。竖向隔震单元可以通过设定竖向刚度combin14单元来进行模拟。以此模型来模拟和代替隔层橡胶隔震支座。
图1 隔震支座平面布置
考虑到隔震支座的选型和布置，需要要求永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应力不超过规范规定的限制，同时不要求出现拉应力若在罕遇地震下。应先计算多遇和罕遇地震作用下的内力及变形，初步布置隔震支座，并进行调整。根据建筑物上部重量和底层柱的压力，初步选定橡胶隔震支座。在有限元模型的基础上添加隔震支座，并对结构进行模态分析，求得隔震与未隔震模型的自振频率。
4 地震时程分析
4.1 位移分析
ANSYS软件中通过定义路径功能可得到地震作用下隔震结构和非隔震结构中顶层楼盖和底层楼面的位移时程曲线。隔震结构在地震作用下，结构的变形主要集中在隔震层，上部结构基本上为整体水平平动。在传统的非隔震结构中，层间位移最大值出现在了底层，其值随着楼层的增加而不断的增大，反映了多质点体系的层剪切性质。隔震结构中的层间位移最大值也出现在底层中，但层间位移随着楼层的增加不会发生太大的变化。
4.3加速度分析
隔震与非隔震结构层加速度对比如下图2所示
图2加速度分析
由图2可知，隔震结构中各层的加速度反应明显降低，隔震结构5层加速度仅为非隔震结构的 1/3，基础与输入地震动幅值近似，而非隔震结构则在地震动的输入下，各层加速度均有放大现象，且顶层放大作用较大。这是因为传统非隔震结构中无可耗散和隔离地震能量的隔震层，导致结构出现共振现象，使上部结构的加速度峰值明显大于隔震结构的加速度反应。
5总结
本文通过对虚拟框架案例进行ansys地震时程分析，得出的结论如下：
（1）通过ANSYS有限元软件对模拟隔震和非隔震框架结构的地震时称分析，可得出隔震结构的第一周期要比非隔震结构周期延长了1.75倍，从而使隔震结构避开了地震卓越周期，降低上部结构的地震反应。COMBIN40 与 COMBIN14 单元组合模拟隔震支座可实现隔震效果。
（2）隔震结构在地震作用下主要表现为平动，其变形集中在隔震层，显然隔震层间位移要远小于非隔震结构。
（3）隔震结构的层间剪力分布为均匀分布，显然这种剪力分布的形式对结构抗震非常有利，这种效果相当于降低抗震设防烈度1度左右。
（4）隔震结构中的最大加速度值显著降低，大约为非隔震结构加速度值的1/5，使隔震橡胶隔震支座的性能充分体现，消耗了地震能量，并减少了地震对建筑物的破坏。
参考文献：
[1]GB50010-2010，《建筑抗震设计规范》[S]
[2]陈晓强，范超，曹少飞.基于ANSYS 基础隔震框架结构地震响应分析［J］.四川建筑，2011，31（1）：118－120．
论文作者:李敬宇
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第8期
论文发表时间:2018/10/30
标签：结构论文; 支座论文; 加速度论文; 位移论文; 单元论文; 刚度论文; 周期论文; 《建筑细部》2018年第8期论文;