某高层框架—剪力墙基础隔震结构的动力响应分析

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我国基础隔震的技术已经较为成熟,但是对高层基础隔震技术研究多处于工程数值模拟阶段,常采用的模拟软件有Etabs、Sap2000和Midas等商业通用有限元软件,这些软件具有良好的人机交互式设计界面,且弹性分析功能非常方便,但其非线性分析功能十分有限。美国“太平洋地震工程研究中心”和加州伯克利联合开发的有限元模拟程序OpenSees,具有强大的非线性分析功能,该软件内部核心代码完全开放,易于协同工作,且可根据用户需要编写相应的材料本构、单元本构及分析算法,可极大满足学术研究的需求。本文主要以实际的框架-剪力墙基础隔震工程为例,建立框剪-剪力墙基础隔震结构的OpenSees模型,并对其进行动力非线性时程分析,研究其结构的隔震效果。首先,介绍了OpenSees中隔震单元的类型,并分别采用ElastomericBearingPlasticity单元和ZeroLength单元模拟橡胶支座,并建立隔震简化模型,将OpenSees中支座的滞回结果分别与Sap2000中的rubber isolator单元和Etabs中isolator1单元模拟橡胶支座的滞回结果进行对比。其次,分析了框架-剪力墙基础隔震结构的设计流程,并对隔震结构地震动时程的选择和输入方式进行了描述,对高层框架剪力墙的隔震层进行了布置,分析了结构隔震层恢复力基本特性,从延长周期理论和滤波原理分析了高阶振型对高层隔震结构的影响。再次,取七条地震动时程曲线,对结构在多遇、设防和罕遇地震作用下进行动力非线性时程分析,研究在各个不同地震工况下结构的层间位移、内力、加速度的响应。最后,分析结构隔震层支座在8度罕遇地震作用下,输入峰值为600gal(8度400gal,考虑1.5倍的近场系数)的七条地震动时程,分析隔震层最易出现拉应力和出现最大压应力的支座的位置,并取七条地震动时程结果的平均值,计算出隔震层各支座的极大面压、极小面压和水平向极限变形,对在水平X向和Y向出现最大压应力和最大拉应力的支座进行压、剪相关性能的分析。最后得出:1、在OpenSees有限元软件中,选择不同的隔震单元模拟橡胶支座,其支座的滞回性能有所不同,运用OpenSees中Zerolength单元及非线性材料联合模拟橡胶支座的滞回性能与Sap2000中rubber isolator单元模拟橡胶支座滞回性能有较大的差异,这是因为采用Sap2000中的rubber isolator单元考虑了非线性双向剪切的耦合,而在OpenSee是中只是通过采用非线性采用来模拟支座水平方向的塑性行为,并没有考虑水平方向的耦合;运用OpenSees中ElastomericBearingPlasticity单元模拟橡胶支座与Etabs中isolator1单元模拟橡胶支座,两者所选取单元的力学本构模型均为双线性模型,所以两软件模拟支座滞回的结果误差较小,最后,为了能够较好的模拟框架-剪力墙基础隔震结构隔震层支座的滞回性能,选取ElastomericBearingPlasticity单元模拟其隔震橡胶支座;2、根据延长周期原理,高层框架-剪力墙基础隔震结构基本周期得到延长,但在加速度反应谱中,隔震结构基本周期所对应的加速度值并没有明显的下降,根据滤波原理,高层结构在加速度反应谱的小周期区域,加速度值减小非常显著;3、根据动力时程分析结果,结构在设防烈度下水平向最大剪力系数为0.484,最大倾覆力矩比为0.473,所以结构的水平向减震系数可认为0.484,在罕遇地震作用下,沿X向输入地震动时程时,隔震层出现最大压应力和最大拉应力的支座为K1和K12,沿Y向输入地震动时程时,隔震层支座出现最大压应力和最大拉应力的支座分别为K136和K46,并且这4个支座压、剪性能曲线均在较为合理的范围之内。
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