近断层地震作用下隔震结构基底碰撞响应分析及倾覆倒塌模拟.pdf

第 43 卷 第 2 期 2013 年 1 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 2 Jan． 2013 近断层地震作用下隔震结构基底碰撞响应 分析及倾覆倒塌模拟 * 杜永峰 1， 2， 王小虎1， 朱 翔 1 1 兰州理工大学防震减灾研究所， 兰州 730050; 2 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心， 兰州 730050 ［摘要］近断层脉冲型地震作用下， 建筑的隔震层会产生较大的侧移， 与周边基坑挡墙可能发生碰撞。采用非线 性弹簧来模拟基坑挡墙， 考虑上部结构的弹塑性变形。利用基于非线性弹簧的碰撞模型， 分析了近场、 远场地震作 用下隔震结构的碰撞响应， 探讨了隔震结构与周边基坑的预留间距对隔震结构碰撞的影响。并通过二次开发， 采 用生死单元法， 模拟了碰撞导致隔震结构的倾覆倒塌。基于增量动力分析 IDA 的分析结果表明 近场地震作用 下隔震结构更容易发生碰撞， 对隔震结构的倾覆效应更具相关性， 碰撞导致隔震支座产生受拉破坏继而发生倾覆 倒塌。 ［关键词］近断层地震;隔震结构;碰撞响应;倒塌模拟;增量动力分析 中图分类号 TU352. 12文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 02- 0056- 04 Overturning collapse simulation of isolation structure under near- fault seismic motion considering potential pounding Du Yongfeng1， 2，Wang Xiaohu1，Zhu Xiang1 1 Institute of Earthquake Protection and Disaster Mitigation，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China; 2 Western Center for Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou 730050，China Abstract The isolation story will have a greater deation，potential pounding may occur at the isolation level between the building and its surrounding retaining walls under the near-fault pulse-type seismic motion． Non-linear springs were employed to simulate the impact of the boundary，and elastic-plastic deation of the upper structure was also considered． The pounding response of the isolation structure under near-fault and far-fault seismic and the impacts of the pounding under different tectonic space were studied by the collision model based on non-linear springs． Through “birth-death”element defined in the user’ s subroutine，collapse leaded by pounding was simulated． The Incremental Dynamic Analysis IDA result shows that structures under near-fault seismic are more likely to crash compared with far-fault seismic，and it is more relevant with overturning of isolation structure． Simulation results show that pounding lead to isolation bearing damage and subsequent overturning collapsed． Keywords near-fault earthquake;seismic isolated structure;pounding response;collapse simulation;IDA * 国家自然科学基金 50978130 。 作者简介 杜永峰， 博士， 教授， Email dooyf lut． cn。 0引言 隔震建筑通过隔震层将上部结构与基础分开， 从而有效控制地面震动向上部结构传递。以断层滑 移为本质特征的近断层地震， 有明显的长周期速度、 位移脉冲。当近断层地震作用于隔震结构时， 水平 刚度较小的隔震层将产生很大的位移， 超出隔震结 构与周围基坑挡墙的预留宽度而发生碰撞。因此， 有必要研究隔震结构基底发生碰撞时的结构响应， 了解碰撞对隔震结构的不利影响。 目前对于近断层地震下隔震结构碰撞响应的研 究并不多见。Malhotra 和 Tsai 把上部结构理想化为 弹性的剪切变形梁， 用弹簧阻尼单元模拟与隔震结 构基底底板相撞的基坑， 研究了隔震结构的碰撞反 应 ［1， 2］。叶昆等利用改进的 Kelvin 碰撞分析模型对 隔震结构的碰撞进行分析 ［3- 5］。关于隔震结构基底 碰撞还存在一些值得研究的问题 首先， 多数研究基 于上部结构为线弹性的假设， 当结构发生碰撞时会 产生较大的层间位移， 结构已进入塑性状态， 线弹性 状态不再合理; 其次， 使用的碰撞模型多为线性模 型， 这种碰撞分析模型在结构碰撞回弹阶段出现拉 力， 不能真实地实现碰撞过程 ［6- 8］。 为此本文采用非线性弹簧来模拟基坑挡墙， 考 虑结构进入弹塑性阶段。利用非线性粘弹性碰撞模 型研究近断层脉冲型地震作用下结构的碰撞响应， 讨论了近场和远场地震及基坑预留间距对结构碰撞 反应的影响。并通过二次开发， 采用生死单元法， 模 第 43 卷 第 2 期杜永峰， 等． 近断层地震作用下隔震结构基底碰撞响应分析及倾覆倒塌模拟 拟了碰撞导致隔震结构的倾覆倒塌。 1动力分析模型 1. 1 考虑结构- 基坑相互碰撞的分析模型 考虑隔震层周围的基坑挡墙与结构可能发生的 碰撞， 挡墙距离结构边支座分别为 0. 1， 0. 2m 和无 挡墙， 来研究碰撞距离与结构动力响应的相关性。 分析模型见图 1。 图 1结构-挡墙碰撞分析模型 1. 2 考虑碰撞的隔震结构运动方程 考虑碰撞的隔震结构运动方程为 MY CY KY Ifp － ug Mδ 1 式中 M， C， K 分别为体系的质量、 阻尼和刚度矩阵; fp为碰撞力; I { 1， 0， ， 0} T; δ 为单位列向量; ug 为地震地面运动加速度; Y 为结构体系相对于地面 的位移向量。 1. 3 隔震支座模型参数 采用 MARC 软件的 Link 弹簧单元模拟隔震支 座， 编写生死单元子程序 UACTIVE， 通过最大剪力 和轴力控制等效单元的生死， 来实现隔震支座的失 效。采用弹簧节点相对位移控制的弹簧作用力， 非 线性弹簧的作用力为 F K u1－ u2 C u 2 － u 1 2 式中 u2， u1为非线性弹簧的两个节点位移; u 2， u 1 为相应速度。阻尼系数 C 按下式求得 C 2ξbω1MT 3 式中 ξb为铅芯橡胶隔震支座的等效阻尼比; ω1为 隔震结构的第 1 圆频率; MT为铅芯橡胶隔震支座所 承受的总质量。 应用弹簧 /阻尼单元来模拟铅芯橡胶隔震支座 的刚度和阻尼， 根据设计所选取的铅芯橡胶隔震支 座型号为 LRB600， 可以确定模拟弹簧的水平刚度为 1. 9 106N/m， 竖向刚度为 2. 6 109N/m。 1. 4 非线性粘弹性碰撞模型 MARC 软件中可采用非线性弹簧模拟碰撞， 通 过用户子程序 USPRING 施加非线性弹簧。在这一 碰撞模型中， 碰撞能量的损失只在碰撞接触阶段加 以考虑， 其碰撞力的计算公式为 fp t khδ t ch t δ t 4 式中 δ t 为碰撞弹簧位移; δ t 为碰撞弹簧速度; kh为非线性弹簧刚度; ch t 为其阻尼。 图 2 为碰撞间距 S 0. 2m 时的弹簧刚度模型， 负值表示弹簧受压， 正值表示受拉。当碰撞间距为 0. 1m 时， 弹簧刚度在 S 0. 1m 时发生突变。 图 2非线性弹簧刚度 2仿真分析的模型参数 2. 1 工程参数 某隔震钢筋混凝土框架结构， 地上 7 层， 底部层 1， 2 层高为 4. 2m， 其他均为 3. 3m; 地下 1 层， 层高为 4. 2m， 地下室悬臂柱高 3m， 铅芯橡胶隔震支座放置 在地下室悬臂柱顶， 周围设置挡墙。柱距为 x 向 4m 5m， y 向 5m 5m。隔震层顶板厚 0. 18m， 其他楼 层 0. 12m。梁柱截面尺寸见表 1， 地震波输入为近 场 Chichi 波 TCU068 和远场 El Centro 波。 结构模型参数表 1 构件所在楼层截面尺寸 /m配筋 /m2 柱 悬臂柱 2 ～ 8 层 1. 0 1. 0 0. 7 0. 7 0. 024 0. 014 梁 隔震层顶板 其他各层 0. 3 0. 7 0. 3 0. 6 0. 012 0. 009 支座悬臂柱顶部LRB600 2. 2 基于增量动力输入 IDA 的分析 基于增量动力输入 IDA 的碰撞分析， 其方法 是 通过输入逐步增大地震强度的 IDA 分析， 直至 结构计算模型与周围挡墙发生碰撞， 由此得到结构 在某个地震强度输入下的碰撞响应， 并利用该强度 作为结构是否发生碰撞的评价指标。 3结构碰撞响应 3. 1 结构碰撞时的动力响应 输入近场 Chichi 波， 考虑以下两种情况 1 不 考虑发生碰撞; 2 碰撞间距 S 0. 1m， 进行动力时 程分析。得到碰撞与不碰撞两种工况下结构的加速 度反应， 如图 3， 4 所示， 可以发现隔震结构基底发生 碰撞时各层的加速度反应明显大于未发生碰撞时的 75 建筑结构2013 年 图 5碰撞与不碰撞结构的楼层位移 图 6 不同碰撞间距下结构的最大层间位移图 7近、 远场地震下结构的最大层间位移 加速度响应， 而且发生碰撞的底层加速度远大于顶 层加速度。 在近场 Chichi 波作用下， 结构发生碰撞与不发 生碰撞时， 结构各层的位移如图 5 所示。从图中可 以看出， 合理构造时隔震层位移比发生碰撞时的不 合理构造隔震层位移大， 而结构顶层位移相同， 说明 发生碰撞时结构隔震层以上楼层层间位移比未发生 碰撞时结构层位移大， 可知不合理构造隔震结构楼 层延时需求较高。 图 3顶层加速度时程 图 4底层加速度时程 3. 2 基坑构造间距对结构碰撞的影响 分别对基坑挡墙距离结构边支座为 0. 1， 0. 2m 和无挡墙时的结构输入近场 Chichi 波进行分析， 来 研究碰撞间距对结构动力反应的影响。表 2 为挡墙 间距为 0. 2m 时不同峰值加速度 PGA 作用下的结 构响应。可以看出， 近断层地震下不合理构造隔震 结构会发生碰撞， 同时结构层间位移明显增大， 相比 合理构造隔震结构底层层间位移增幅约为 30 。 说明碰撞对结构有很大的不利影响。通过 IDA 分 析得到各构造间距下结构底层层间位移， 如图 6 所 示。结果表明 随着构造间距的增大， 碰撞作用下结 构层间位移相应减小; 合理构造时结构不会发生碰 撞， 所以其层间位移最小。 隔震层构造对隔震结构破坏的影响表 2 地震作用PGA 400galPGA 600gal 构造 发生碰撞时间 /s 隔震层破坏时间 /s 底层层间位移 /m 无阻挡 未碰撞 未破坏 0. 043 阻挡 17. 00 未破坏 0. 058 无阻挡 未碰撞 16. 80 0. 072 阻挡 16. 34 16. 40 0. 09 3. 3 近、 远场地震作用下结构的碰撞响应 分别选取近场 Chichi 波和远场 El Centro 波对 结构进行动力分析。表 3 为近场和远场地震作用下 挡墙间距 S 0. 2m 时结构的碰撞响应。可以看出， 近场地震作用下隔震层发生较大位移， 更容易发生 碰撞。通过 IDA 分析得到近场和远场地震作用下 结构底层层间位移， 如图 7 所示。结果表明 随着 PGA 的增加， 近场地震下的结构层间位移明显增大; 远场地震下结构在较大 PGA 下才发生碰撞， 所以其 层间位移比近场地震时小。 近、 远场地震对隔震结构的碰撞影响表 3 地震作用 PGA 400galPGA 600gal ChichiEl CentroChichiEl Centro 发生碰撞时间 /s 隔震层破坏时间 /s 底层层间位移 /m 17. 00 未破坏 0. 058 未碰撞 未破坏 0. 014 16. 34 未破坏 0. 09 未碰撞 未破坏 0. 023 4隔震结构基底碰撞下结构的倾覆倒塌模拟 隔震结构的倾覆力矩由两部分组成 水平地震 作用产生的倾覆力矩和竖向地震作用产生的倾覆力 矩。为防止地震作用下结构不发生整体倾覆， 需满 足两个力学条件 1 隔震层中背离水平推力方向的 边缘橡胶支座中不产生拉力; 2 隔震层中水平推力 所指向边缘的橡胶支座所受压力不超过橡胶支座的 极限抗压强度和由屈曲决定的压力限值。上述两条 件可由下式表示 fmin≥ 0 fmax≤ f { ss 5 式中 fss代表由强度和屈曲联合决定的压力限值。 对各结构模型输入三向近场地震波 Chichi 波 TCU068 ， 得到 PGA 1 000gal 时结构的倒塌过 85 第 43 卷 第 2 期杜永峰， 等． 近断层地震作用下隔震结构基底碰撞响应分析及倾覆倒塌模拟 程， 如图 8 所示。当结构在 16. 34s 时隔震层与基坑 挡墙发生碰撞， 隔震支座开始破坏; 随着隔震层的破 坏结构开始倾覆， 由于抗倾覆力矩大于倾覆力矩， 在 17. 84s 时结构停止倾覆， 继而产生向下的位移而发 生倒塌。 图 8碰撞作用下结构倒塌过程 5结论 1 近场地震作用下隔震层发生较大位移， 相 比远场地震下隔震结构与周围挡墙更易发生碰撞。 2 随构造间距的增大， 碰撞作用减弱， 结构层 间位移相应减小。 3 碰撞作用使隔震结构层间位移和绝对加速 度显著增加， 引起倾覆力矩的增大， 可使隔震结构发 生倾覆倒塌。 4 基于非线性弹簧的碰撞模型能较真实地反 映结构的碰撞作用。 参考文献 ［1］MALHOTRA P K． Dynamics of seismic impacts in base- isolatedbuildings ［J］．EarthquakeEngineering＆ Structural Dynamics，1997，26 8 797- 813． ［2］TSAI H C． Dynamic analysis of base-isolated shear beams bumping against stops［J］．Earthquake Engineering ＆ Structural Dynamics，1997，26 5 515- 528． ［3］叶昆，李黎． LRB 基础隔震结构在近断层脉冲型地震 作用下的动力响应研究［J］． 工程抗震与加固改造， 2009，31 2 32- 39． ［4］叶昆，李黎． 改进的 Kelvin 碰撞分析模型［J］． 工程力 学，2009，26 SⅡ 245- 248． ［5］叶献国，谢一可，李康宁． 基础隔震结构在侧向碰撞 下的地震反应分析［J］． 地震工程与工程振动，2008， 28 4 161- 167． ［6］符蓉， 叶昆， 李黎． LRB 基础隔震结构在近断层脉冲型 地震作 用 下 的 碰 撞 响 应［J］． 工 程 力 学， 2010， 27 S Ⅱ 298- 302． ［7］樊剑，刘铁，魏俊杰． 近断层地震下摩擦型隔震结构 与限位装置碰撞反应及防护措施研究［J］． 土木工程 学报，2007，40 5 10- 16． ［8］叶昆，李黎． 近断层脉冲地震作用下偏心基础隔震结 构的地震反应研究［J］． 工程力学， 2009， 26 7 163- 169． ［9］杜永峰， 李慧． 双向地震激励下隔震结构抗倾覆特性的数 值分析［ J］ ． 计算机辅助工程， 2011， 20 1 42- 46． 上接第 50 页 f1 2． 80mm 时， σⅢ 455MPa σⅢmin f2 6． 02mm 时， σⅢ 918． 2MPa σⅢmax 则碟形弹簧Ⅲ处的应力幅 σ aⅢ σ Ⅲmax － σ Ⅲmin 463． 2MPa 可见碟形弹簧Ⅱ处的应力幅较大， 故校核Ⅱ处的疲 劳强度。根据 σⅡmin 352． 5MPa， 由文［ 4］得， 碟形 弹簧寿命为 N 5 105时， σⅡmax 900MPa， 疲劳应 力 σraⅡ 900 － 352． 5 547． 5MPa ＞ σ aⅡ， 故该碟形 弹簧的疲劳寿命约为 5 105次， 满足开合屋盖低频 使用的需要。 5结论 1 通过对开合屋盖机械系统工况、 荷载特性 和碟形弹簧特点分析可知 碟形弹簧承载能力大及 可变刚度的特性能很好地适应建筑结构开合屋盖机 械系统在低速、 重载工况下运行时对调节机构和承 载系统的要求。 2 在开合屋盖纵向调节结构中应用碟形弹簧 作为被动调节机构， 充当缓冲、 减震元件， 能满足开 合屋盖移动过程中荷载和变形实时变化的要求， 且 能简化结构， 缩小空间尺寸。 3 对应用于开合屋盖系统的碟形弹簧， 应根 据实际工程项目中荷载组合和工况组合进行选型与 计算校核， 采用合理的组合方式， 以满足其变形量和 承载力要求， 避免碟形弹簧过载和疲劳失效。 参考文献 ［1］吴强， 郭呈周， 袁海龙． 碟形弹簧对结构物隔振作用的 计算研究［J］． 特种机构， 2006， 23 4 17- 20． ［2］张凤文， 刘锡良． 开合屋盖结构行走机构的应用研究 ［J］． 建筑结构， 2002， 32 9 29- 32． ［3］刘魁， 陈以一， 王澄君， 等． 南通体育会展中心体育场开 合屋盖机械结构综合技术应用研究［J］． 建筑结构， 2008， 38 9 16- 19． ［4］成大先主编． 机械设计手册［M］． 北京 化学工业出版 社， 2008． 95