隔震装置的选取在加层改造中抗震性能分析

摘要：加层钢结构应用愈来愈广泛，因原结构和加层结构之间存在刚度突变，在地震作用下能形成薄弱层，放大地震作用而形成安全隐患，本文研究将隔震技术应用到框架结构加层设计中，隔震装置采用铅芯叠层橡胶隔震支座，通过把隔震装置安放在原八层框架结构和拟建的三层钢结构物底部之间，探讨了不同型号隔震支座的减震效果，对各种运算结果进行比较分析，为采用隔隔震技术的加层框架结构隔震支座选取提供理论参考。

关键词：钢结构加层；基础隔震；时程分析；铅芯叠层橡胶垫；

中图分类号：TU391文献标识码： A

1 引言

近年来，随着我国经济的腾飞，社会对建筑的需求急剧增长，原来的规划已远远跟不上时代的步伐。部分框架房屋，完全推到重建不经济也不现实，所以在原有建筑的基础上对房屋进行加层改造、扩建不失为解决这一问题的良策。 钢结构以其独特的优点，在房屋加层中应用最为广泛。

隔震原理就是通过添加夹层橡胶隔震支座这样的隔震装置形成隔离层，增大结构的阻尼，延长结构的周期，阻隔地震作用向上部结构的传输，使结构的位移集中于隔离层，上部结构和下部结构都像刚体一样，自身位移小，结构基本上处于弹性工作阶段，有效保护了原结构和加层结构的安全。

目前，各多地震国家都在对隔震技术进行更深入的研究，叠层橡胶隔震支座是世界各国隔震结构研究的主流方向，隔震支座的选取是一个有探讨价值的问题。

2 采用隔震技术的框架结构直接加层中隔震支座的选取

2.1工程概况

原建筑物加层前为8层钢筋混凝土框架办公楼：总长33.6m，宽14.5m，层高3.3m。原结构的框架梁、框架柱、楼板均采用C30混凝土，原结构板厚为120mm的现浇钢筋混凝土楼板，墙厚240mm。加层部分和原结构的层高、平面布置保持一致，楼板为100mm的钢筋混凝土楼板，加层钢结构钢材采用Q235B，弹性模量 E=2.06×105N/，设计强度f=215Mpa，泊松比 u=0.2；加层部分钢柱和钢梁均采用刚接，支撑与钢柱、钢梁均为铰接。

本结构模型共8个开间，开间为4.2m，三等跨度分别为6m，2.5m，6m。抗震设防烈度为8度，位于Ⅱ类场地，特征周期为0.35s，设计地震分组为第一组下的罕遇地震分析。结构楼面恒载取2.5kN（不含杆件自重），楼面活载取2.0kN，加层钢结构屋面活载取0.5kN。

选取铅芯叠层橡胶隔震支座为研究对象，夹层橡胶隔震支座竖向承载力极大、水平刚度较小，水平侧移容许值较大（可高达），能承受水平和竖向地震作用的理想隔震装置。采用SAP2000有限元分析软件，建立三维有限元分析模型来进行对比：

图1 “8+3”框架结构直接加层结构模型

合理的选用隔震支座是隔震技术成功运用的关键。本文选用铅芯叠层橡胶隔震支座，分析框架结构直接加层结构采用不同型号的铅芯叠层隔震支座后，整体结构减震效果的影响分析。通过SAP2000运行模型，在EL-Centro波罕遇地震下的自振周期、最大层间剪力、最大层位移等的影响。即：铅芯叠层橡胶支座GZY400-80，GZY500-100，GZY600-120，GZY700-140，GZY800-160，GZY900-180，GZY1000-200七种， 均为18.4%， 分别为 0.812KN/mm,0.882 KN/mm,1.14KN/mm,1.393 KN/mm,1.551 KN/mm, 1.741KN/mm, 2.15KN/mm。

2.2地震波选取

本文选用EL-Centro波（1940年，南-北分量），1940年发生于EL CENTRO VALLEY，时间间隔：0.02秒，加速度峰值为341.695伽，持时20s。该波加速度值较强，并且在相同的加速度下，它的波形能产生更大的地震反应，所以该波下地震反应比较明显适于做时程分析。

图2EL-Centro波地震加速度时程曲线

2.3结构时程反应分析结果

2.3.1自振周期分析比较

采用动力时程法分别计算采用不同的隔震支座后的加层钢结构，对比分析了七种不同隔震支座下的自振周期、频率数值如表1所示。

表1 结构模态分析前三阶分析结果

有效刚度 =18.4% 第一振型 第二振型 第三振型

GZY400-80 频率 0.63241 0.69336 0.70347

周期 1.58125 1.44225 1.42152

GZY500-100 频率 0.60045 0.67456 0.68372

周期 1.66542 1.48245 1.46258

GZY600-120 频率 0.60854 0.68067 0.69519

周期 1.64328 1.46914 1.43845

GZY700-140 频率 0.63632 0.70794 0.71600

周期 1.57154 1.41254 1.39665

GZY800-160 频率 0.65727 0.71811 0.75674

周期 1.52145 1.39255 1.32145

GZY900-180 频率 0.66558 0.76322 0.79894

周期 1.50245 1.31024 1.25166

GZY1000-200 频率 0.64345 0.74881 0.77572

周期 1.55412 1.33545 1.28912

从表中数据对比分析可以看出，采用了隔震支座的加层结构体系，结构自振周期并不随着隔震支座参数的增大而增大，本节选用的模型，当选用GZB500-100，即有效刚度为0.882KN/mm， =18.4%时，自振周期最大。

2.3.2层间剪力分析比较

数据较多且不同隔震支座间的数据相差不大，故而选用了了直观的柱状图。

图3EL-Centro波罕遇地震下不同隔震支座层间剪力比较图

在EL-Centro波作用下，框架结构直接加层最大层间剪力：当选用GZY400-80时，最底层层间剪力为7816.78KN；选用GZY500-100时最底层层间剪力最小，为7036.86KN；之后随着隔震支座型号的增大，底层层间剪力不断增加，而选择最大型号的GZY1000-200时，底层层间剪力达到7836.78KN。比较钢结构直接加层无支撑结构模型底层层间剪力7875.25KN，采用隔震支座后原结构层间剪力都有不同程度的减小，说明采用隔震支座后，都不同程度的保护了原结构免遭地震破坏。在加层结构连接处，当选用GZY500-100，GZY600-120时，层间剪力过度平滑，当选用GZY1000-200时，层间剪力出现应力突变较大，不利于整体结构的安全。

框架结构加层后，最底层层间剪力都增大；当选用隔震支座后，最底层层间剪力都有不同程度的减小；上部加层结构层间剪力过度更为平缓；选用不同型号的隔震支座后，层间剪力相差很大，在本模型中，表现为GZY500-100隔震效果最优。在隔震支座选取时，单纯增大隔震支座的直径、有效刚度，既不经济也不科学。当加层结构确定选用隔震之后要进行科学详细的运算分析，选取最为合适的隔震支座。

2.3.3层加速度分析比较

图4EL-Centro波罕遇地震下各加层体系层间加速度

比较最大层加速度变化有如下规律：

对比纯钢框架加层结构，在三种地震波作用下，层加速度都有不同程度的减小。但层加速度的的减幅较小，不像层间剪力和层位移减幅那么明显。原结构第一层的加速度，在EL-Centro波作用下，选用GZY600-120时最小；

在EL-Centro波作用下，纯钢框架加层结构第一层加速度为433.79gal，采用GZY400-80时，加层结构第一层加速度为433.79gal（降幅为25.76%），选用GZY500-100的加层结构第一层加速度为423.29gal（降幅为27.55%），选用GZY600-120的加层结构第一层加速度为444.29gal（降幅为23.96%）。

在本模型运行中，当选用GZY500-100，GZY600-120时，层加速度变化更为平缓，没有过大的突变，当选用刚度较大的GZY1000-200时效果不理想，不仅没有减小相同层高的加速度，在部分楼层间出现加速度突变，对结构抗震极为不利。

2.3.4 层位移和层间位移角分析比较

结构模型使用七种不同的隔震支座后在三种地震波作用下，因层位移数据较多且相差较小，为便于分析该部分选用了直观的柱状图。

图5 EL-Centro波罕遇地震下不同隔震支座层位移及层间位移角

由上图对比分析可知:

在采用隔震支座后，相比纯钢框架加层结构各层层间位移、层间位移角变化更加均匀。在EL-Centro波作用下，当选用GZY500-100时，层间位移最小，加层结构层间位移角也更小。

3.结论

本文以“8+3”层钢结构为基本模型，选取了铅芯叠层橡胶隔震支座中常用的七种型号的隔震支座，经SAP2000软件模拟各加层体系在EL-Centro波地震波罕遇地震作用下的时程反应分析，通过不同的图形和表格详细对比了加层体系不同的自振周期、层间剪力、层加速度、层位移和层间位移角等，发现按照本文的模型数据，当采用GZY500-100或GZY600-120时各项指标控制最为理想，在新旧结构之间设置GZY400-80效果次之。隔震支座能有效控制薄弱层产生，减小不同刚度连接处的应力突变，减震效果明显。

原结构和加层结构之间存在刚度突变，为保证结构整体安全，使结构整体工作更加协调，避免在地震作用下产生过大变形，在此安防隔震装置显得十分必要。隔震支座直径和刚度选取不宜太大，一味增大隔震支座的参数既不经济也不科学，隔震支座的选取可借助软件模拟，经过科学严谨的计算分析，选取最为合适的隔震支座。