CN103774772A - 一种控制基础隔震结构扭转的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种控制基础隔震结构扭转的方法，选用位移比、扭平分量比及扭转剪力比三个指标作为扭转效应指标，通过获取并调整所述扭转效应指标量值使其符合限定值实现对复杂不规则体系基础隔震结构扭转的控制，具体包括建立待隔震不规则体系的三维有限元模型、结合隔震层刚心与质心偏移距离限值确定隔震支座参数、建立隔震结构模型并提取扭转效应指标量值、判断扭转效应指标量值是否满足限值要求并根据超限情况采取相应技术路线，最终保证扭转效应指标量值均满足要求。本发明针对复杂不规则隔震结构，定量给出了有效的扭转效应指标及其具体实施方法，为隔震技术用于该类结构的控制扭转提供了量化标准及具体操作规范，具有较大的应用推广价值。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种控制基础隔震结构扭转的方法。
背景技术
随着经济发展与技术进步，社会对建筑艺术的要求愈来愈高，出现了大量不规则结构体系。不规则结构的质量中心与刚度中心不重合，地震作用下此类结构会产生与平动反应耦联的扭转效应，研究结果与历次震害表明，结构的扭转响应会加速结构的破坏，甚至会成为造成结构破坏的主要因素。
传统技术中，为了减小结构的扭转效应常规的做法是在刚度薄弱部位增设剪力墙或斜撑构件，增加结构刚度的同时增大了结构吸收的地震作用，放大了整体结构抗震安全控制难度与经济成本。国内外大量的理论分析与模拟试验表明，基础隔震技术在有效减小结构水平地震作用的同时，可有效降低主体结构尤其是不规则结构的楼层扭转位移、扭转加速度等，但目前该技术由于缺少一组有效的扭转效应指标及一套行之有效的实现方法，造成基础隔震技术在复杂不规则体系的扭转效应控制的应用推广极其缓慢。
发明内容
本发明提出了一种控制基础隔震结构扭转的方法，目的在于解决目前基础隔震技术由于缺少一组有效的扭转效应指标及一套行之有效的实现方法、在复杂不规则体系的扭转效应控制的应用推广极其缓慢的问题；同时也解决传统技术中在刚度薄弱部位增设剪力墙或斜撑构件、增加结构刚度的同时增大了结构吸收的地震作用、放大了整体结构抗震安全控制难度与经济成本的问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案是：
一种控制基础隔震结构扭转的方法一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一、建立待隔震的不规则体系的三维有限元模型：不规则体系的主体建筑施工完成后，利用SAP2000软件建立待隔震的不规则体系的三维有限元模型；
步骤二、进行弹性地震响应分析：结合场地特性及结构特性确定震动输入参数，进行弹性地震响应分析，获得结构响应；
步骤三、确定隔震支座参数：结合隔震层的水平刚度中心与质量中心偏移距离的合理限值，同时考虑实际产品的型号，确定隔震支座参数；
步骤四、确定隔震支座的型号及数量：根据确定的隔震支座参数，确定隔震支座的型号及数量；
步骤五、进行隔震支座的布置安装：依据确定的隔震支座的型号及数量，根据整体不规则体系的建筑格局，进行隔震支座的布置，布置过程中通过对铅芯橡胶支座参数及布置方案的调整实现隔震层刚度中心的微调。
步骤六、建立隔震结构模型：针对待分析的不规则体系结构，用SAP2000软件建立其带有隔震支座单元的隔震有限元模型；
步骤七、获取扭转效应指标的量值：对带有隔震支座单元的隔震有限元模型进行动力时程分析，提取得到不规则体系的扭转效应指标量值；
步骤八、将获取的扭转效应指标量值与相应限定值进行大小比较；
步骤九、根据扭转效应指标量值的超限情况确定调整方案，对不规则体系的隔震支座进行控制，直至扭转效应指标量值小于限定值，则隔震后结构规则性满足要求，实现基础隔震结构的控制扭转。
所述步骤七中，扭转效应指标包括振型扭平分量比、结构楼层位移比及楼层扭转剪力比；所述振型扭平分量比为隔震结构平动振型中绕结构扭转分量与结构平动分量的比值；所述结构楼层位移比是指按照楼盖实际刚度考虑的楼层周边位移与平均位移的比值；所述楼层扭转剪力比为隔震结构在单向水平地震下，垂直于地震输入方向的楼层剪力大小与地震输入方向上的楼层剪力大小的比值。
所述步骤八中，振型扭平分量比的限定值为0.15，结构楼层位移比的限定值为1.2，楼层扭转剪力比的限定值为0.3，三个扭转效应指标量值小于各限定值的大小则为复合要求，根据实际测得的扭转效应指标量值满足要求的情况，将所述扭转效应指标量值超限包括一项不满足、两项及两项以上不满足、三项均满足共三种情况。
所述步骤三中确定隔震支座的参数时，按照公式（1）对隔震支座的型号进行初选，按照公式（2）确定隔震支座的水平刚度；
其中，N gi 为重力荷载代表值作用下的第i个支座轴力，σ i 为第i个隔震支座的竖向压应力，[σ]为隔震支座的竖向压应力限值，A i 为计算的第i个隔震支座的理论有效面积，K eq0为隔震支座等效水平刚度，G为橡胶剪切模量，A为隔震支座的有效面积，n为隔震支座的橡胶层数，t R 为每层橡胶的厚度，D为隔震支座的有效直径，S 2为隔震支座的第二形状系数。
所述步骤四中，隔震层的水平刚度中心与质量中心的偏移距离，不应大于结构尺寸在偏心方向上的投影尺寸的2%。
所述步骤六中建立隔震模型时，铅芯橡胶隔震支座模拟铅芯隔震橡胶垫力学性能，普通叠层橡胶支座则采用弹簧-线性阻尼器单元模拟。
所述步骤九中，根据扭转效应指标量值的超限情况确定调整方案、对不规则体系的隔震支座进行控制的具体操作方法为：若其中一项不满足，则需提取首层角部构件及关键部位构件的内力，验算构件扭矩的复合应力，看是否满足承载力要求，若不满足则局部加强或调整直至复合应力满足要求，此时认为满足隔震结构规则性要求，计算复合应力的公式为：
，式中为正应力，
为考虑了扭转效应的切应力；若其中两项或两项以上不满足指标限值，则需重复步骤三至步骤八，如此直至扭转效应指标量值满足要求为止；若三项均满足指标要求的情况，则说明隔震后结构规则性满足要求。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：提出了适用于复杂不规则体系基础隔震结构的扭转效应指标，即振型扭平分量比、结构楼层位移比及楼层扭转剪力比，实现了复杂不规则体系基础隔震结构扭转效应的具体量化，同时提供了一种利用上述三个扭转效应指标控制复杂不规则体系扭转效应的有效方法，通过合理有效的有限元模拟分析，结合工程实践，获取并调整三个扭转效应指标使其满足要求，为复杂不规则体系采用基础隔震技术控制结构扭转提供了必要的方法指导及工程借鉴，解决了目前基础隔震技术由于缺少一组有效的扭转效应指标及一套行之有效的实现方法、在复杂不规则体系的扭转效应控制的应用推广极其缓慢的问题；同时本发明方法实施方法简单，成本低，解决了传统技术中在刚度薄弱部位增设剪力墙或斜撑构件、增加结构刚度的同时增大了结构吸收的地震作用、放大了整体结构抗震安全控制难度与经济成本的问题。本发明为基础隔震技术用于控制复杂不规则体系的扭转提供了依据，具有良好的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明基础隔震结构的控制扭转方法的实施流程图；
图2为本发明实施例中涉及的结构楼层位移比沿楼层高度的分布图；
图3为本发明实施例中涉及的楼层扭转剪力比沿楼层高度的分布图；
图4为本发明实施例中涉及的结构底层的楼层扭转剪力比。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明内容进行详细介绍，本发明实施例中，钢框架－混凝土核心筒结构、外立面三角形钢网格与主体结构共同工作形成组合空间结构体系，该体系集多塔、连体、多层悬挑及空间外网格于一体，属于特别不规则体系。下面进行具体介绍：
步骤一、首先利用SAP2000软件建立不规则体系有限元模型；
步骤二、进行弹性地震响应分析：进行弹性地震响应分析：结合场地特性及结构特性确定震动输入参数，具体的，场地类别Ⅱ类，地震分组3组，设防地震烈度8度，场地特征周期0.45s，进行弹性地震响应分析，获得结构响应；
步骤三、确定隔震支座参数：分析有限元模型得到结构底部各个支座处在重力荷载代表值下的轴力；按照公式（1）对隔震支座的型号进行初选，按照公式（2）确定隔震支座的水平刚度；
（1）
其中，N gi 为重力荷载代表值作用下的第i个支座轴力，σ i 为第i个隔震支座的竖向压应力，[σ]为隔震支座的竖向压应力限值，A i 为计算的第i个隔震支座的理论有效面积，G为橡胶剪切模量，A为隔震支座的有效面积，n为隔震支座的橡胶层数，t R 为每层橡胶的厚度，D为隔震支座的有效直径，S 2为隔震支座的第二形状系数，在满足隔震支座的第一形状系数S 1≥15，第二形状系数S 2≥5时，压应力对水平刚度的影响较小，不考虑竖向荷载下的支座水平刚度，隔震结构等效水平刚度K eq≈隔震层等效水平刚度K eq0。
由于产品型号种类限制，实际工程中按照公式（1）确定支座时，不可能完全按照计算面积选型，即整体结构质心与面积中心存在偏心；再者，为充分利用较大规格支座的水平变形能力，需要对支座的类型进行一定的调整，使得隔震支座型号不致相差过大，以便同时满足隔震支座竖向承载力与水平变形的要求，该调整过程中可通过铅芯橡胶支座的布置尽量减小隔震层刚度中心与上部结构质量中心间的偏心，从而减小整体结构的扭转效应。其中，隔震层刚度中心的坐标值分别按照式（3）、（4）计算得到，上部结构质量中心的坐标值分别按照式（5）、（6）计算得到：
式中，l X 、l Y 分别为隔震层X向和Y向的刚度中心坐标值，X c 、Y c 分别为隔震层X向和Y向质量中心坐标值，X i 、Y i 分别为第i个隔震支座X向和Y向坐标值，K X，i 、K Y，i 分别为第i个隔震支座对应剪切变形为100%时X向和Y向的等效刚度，N i 为第i个隔震支座承受的长期轴压荷载。
步骤四、确定隔震支座的型号及数量并进行布置安装：确定隔震支座参数后，确定隔震支座的型号及数量，按照隔震层水平刚度中心与质量中心的偏移距离不应大于结构尺寸在偏心方向上的投影尺寸的2%的原则，最终确定的隔震支座型号及数量如表1所示，沿着结构X向及Y向的偏心距离分别为1.32m及0.26m，均小于相应方向结构投影尺寸的2%。其中，表1中的LNR为普通叠层橡胶隔震支座，LRB为铅芯橡胶隔震支座。
表1隔震支座的型号及数量
| 支座类型 | 类型个数 | 单个个数 | 支座类型 | 类型个数 | 单个个数 |
| LNR700 | 21 | 21 | 4xLRB900 | 5 | 20 |
| LNR800 | 4 | 4 | 6xLBR900 | 2 | 12 |
| 2xLNR800 | 9 | 18 | LNR1000 | 22 | 22 |
| 4xLNR800 | 4 | 16 | 2xLNR1000 | 4 | 8 |
| 2xLRB800 | 2 | 4 | 3xLNR1000 | 10 | 30 |
| 4xLRB800 | 1 | 4 | 4xLNR1000 | 4 | 16 |
| LNR900 | 7 | 7 | LRB1000 | 33 | 33 |
| 2xLNR900 | 13 | 26 | 2xLRB1000 | 22 | 44 |
| 4xLNR900 | 2 | 8 | 3xLRB1000 | 2 | 6 |
| 6xLNR900 | 2 | 12 | 4xLRB1000 | 2 | 8 |
| 2xLRB900 | 14 | 28 | 2xLRB1200 | 4 | 8 |
| 3xLRB900 | 2 | 6 | 汇总 | 191 | 361 |
步骤五、进行隔震支座的布置安装：依据确定的隔震支座的型号及数量，根据整体不规则体系的建筑格局，进行隔震支座的布置，布置过程中通过对铅芯橡胶支座参数及布置方案的调整实现隔震层刚度中心的微调。
步骤六、建立隔震结构模型：用SAP2000软件建立带有隔震支座的有限元模型，其中铅芯橡胶支承隔震装置模拟铅芯隔震橡胶垫力学性能，铅芯橡胶支承隔震装置中的两个剪切弹性支承具有二轴塑性相关特性，轴向为线性弹性特性，普通叠层橡胶垫采用弹簧和线性阻尼器单元模拟。
分析得到隔震后结构的模态信息如表2所示，为了对比说明隔震技术对于不规则结构扭转特性的有利作用，表2中一并给出了相应非隔震模型的模态信息。
步骤七、获取扭转效应指标量值：对带有隔震支座单元的三维有限元模型进行动力时程分析，提取得到结构的振型扭平分量比、结构楼层位移比及楼层扭转剪力比；由表中数据得到隔震模型平动阵型中的扭平分量比均小于0.15；提取结构在不同地震输入作用下的结构楼层位移比，取平均值绘成沿楼层高度变化曲线，如图2所示，隔震后结构X向及Y向位移比均小于1.2；分别提取隔震结构在El Centro波、Taft波、人工波及汶川波单向输入下结构底部楼层扭转剪力比，如图3所示，隔震后结构X向及Y向的底层扭转剪力比均小于0.3，但该工程上部立面开大洞局部楼层存在楼层扭转剪力比超过0.3的情况，如图4所示。
步骤八、比较扭转效应指标量值与限定值的大小：依据经验及本次施工要求预先确定扭转效应指标限值，其中，振型扭平分量比的限定值为0.15，结构楼层位移比的限定值为1.2，楼层扭转剪力比的限定值为0.3，三个扭转效应指标量值应小于各限定值的大小，根据实际测得的扭转效应指标量值满足要求的情况可知，该结构开洞位置楼层扭转剪力比在局部超过了限值要求，属于有一项扭转效应指标超限，需进行构件复合应力验算。
步骤九、调整复合应力使扭转效应指标量值全部低于限定值：选取扭转剪力比超限的楼层角部竖向构件，按照公式（5）进行构件复合应力的验算，式中
为考虑了扭转变形的切应力，计算结果如表3所示，可见构件复合应力并未超过构件的许用应力，考虑扭转变形的情况下角部构件时安全的，式中
为正应力，
为考虑了扭转效应的切应力：
（5）
步骤七、获取扭转效应指标量值：对带有隔震支座单元的三维有限元模型进行动力时程分析，提取得到结构的振型扭平分量比、结构楼层位移比及楼层扭转剪力比；由表中数据得到隔震模型平动阵型中的扭平分量比均小于0.15；提取结构在不同地震输入作用下的结构楼层位移比，取平均值绘成沿楼层高度变化曲线，如图2所示，隔震后结构X向及Y向位移比均小于1.2；分别提取隔震结构在El Centro波、Taft波、人工波及汶川波单向输入下结构底部楼层扭转剪力比，如图3所示，隔震后结构X向及Y向的底层扭转剪力比均小于0.3，但该工程上部立面开大洞局部楼层存在楼层扭转剪力比超过0.3的情况，如图4所示。
步骤八、比较扭转效应指标量值与限定值的大小：依据经验及本次施工要求预先确定扭转效应指标限值，其中，振型扭平分量比的限定值为0.15，结构楼层位移比的限定值为1.2，楼层扭转剪力比的限定值为0.3，三个扭转效应指标量值应小于各限定值的大小，根据实际测得的扭转效应指标量值满足要求的情况可知，该结构开洞位置楼层扭转剪力比在局部超过了限值要求，属于有一项扭转效应指标超限，需进行构件复合应力验算。
步骤九、调整复合应力使扭转效应指标量值全部低于限定值：选取扭转剪力比超限的楼层角部竖向构件，按照公式（5）进行构件复合应力的验算，式中
为考虑了扭转变形的切应力，计算结果如表3所示，可见构件复合应力并未超过构件的许用应力，考虑扭转变形的情况下角部构件时安全的，式中
为正应力，
为考虑了扭转效应的切应力：
（5）
综合以上计算分析结果，表明该复杂不规则结构采用基础隔震后，结构的动力规则性得到了较大改善，按照振型扭平分量比、结构楼层位移比及楼层扭转剪力比为指标可以实现对该类型结构的控制扭转，保证了扭转变形下构件及整体结构的安全性。
在不脱离本发明权利要求书的保护范围下可进行各种变化与改变。
Claims (7)
1.一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一、建立待隔震的不规则体系的三维有限元模型：利用SAP2000软件建立待隔震结构不规则体系的三维有限元模型；
步骤二、进行弹性地震响应分析：结合场地特性及结构特性确定震动输入参数，进行弹性地震响应分析，获得结构响应；
步骤三、确定隔震支座参数：结合结构对隔震支座的竖向承载力需求及隔震层的水平刚度中心与质量中心偏移距离的合理限值，同时考虑实际产品的型号，确定隔震支座参数；
步骤四、确定隔震支座的型号及数量：根据确定的隔震支座参数，确定隔震支座的型号及数量；
步骤五、进行隔震支座的布置安装：依据确定的隔震支座的型号及数量，根据整体不规则体系的建筑格局，进行隔震支座的布置，布置过程中通过对铅芯橡胶支座参数及布置方案的调整实现隔震层刚度中心的微调；
步骤六、建立隔震结构模型：针对待分析的不规则体系结构，用SAP2000软件建立其带有隔震支座单元的隔震有限元模型；
步骤七、获取扭转效应指标的量值：对带有隔震支座单元的隔震有限元模型进行动力时程分析，提取得到不规则体系的扭转效应指标量值；
步骤八、将获取的扭转效应指标量值与相应限定值进行大小比较；
步骤九、根据扭转效应指标量值的超限情况确定调整方案，对不规则体系的隔震支座进行调整，直至扭转效应指标量值小于限定值，则隔震后结构规则性满足要求，实现基础隔震结构的控制扭转。
2.根据权利要求1所述的一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：所述步骤七中，扭转效应指标包括振型扭平分量比、结构楼层位移比及楼层扭转剪力比；所述振型扭平分量比为隔震结构平动振型中绕结构扭转分量与结构平动分量的比值；所述结构楼层位移比是指按照楼盖实际刚度考虑的楼层周边位移与平均位移的比值；所述楼层扭转剪力比为隔震结构在单向水平地震下，垂直于地震输入方向的楼层剪力大小与地震输入方向上的楼层剪力大小的比值。
3.根据权利要求1～4任意一项所述的一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：所述步骤八中，振型扭平分量比的限定值为0.15，结构楼层位移比的限定值为1.2，楼层扭转剪力比的限定值为0.3，三个扭转效应指标量值小于各限定值的大小则为复合要求，根据实际测得的扭转效应指标量值满足要求的情况，将所述扭转效应指标量值超限包括一项不满足、两项及两项以上不满足、三项均满足共三种情况。
4.根据权利要求1所述的一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：所述步骤三中确定隔震支座的参数时，按照公式（1）对隔震支座的型号进行初选，按照公式（2）确定隔震支座的水平刚度；
其中，N gi 为重力荷载代表值作用下的第i个支座轴力，σ i 为第i个隔震支座的竖向压应力，[σ]为隔震支座的竖向压应力限值，A i 为计算的第i个隔震支座的理论有效面积，K eq0为隔震支座等效水平刚度，G为橡胶剪切模量，A为隔震支座的有效面积，n为隔震支座的橡胶层数，t R 为每层橡胶的厚度，D为隔震支座的有效直径，S 2为隔震支座的第二形状系数。
5.根据权利要求1所述的一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：所述步骤四中，隔震层的水平刚度中心与质量中心的偏移距离，不应大于结构尺寸在偏心方向上的投影尺寸的2%。
6.根据权利要求1所述的一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：所述步骤六中建立隔震模型时，铅芯橡胶隔震支座模拟铅芯隔震橡胶垫力学性能，普通叠层橡胶支座则采用弹簧-线性阻尼器单元模拟。
7.根据权利要求3所述的一种控制基础隔震结构扭转的方法，其特征在于：所述步骤九中，根据扭转效应指标量值的超限情况确定调整方案、对不规则体系的隔震支座进行控制的具体操作方法为：
若其中一项不满足，则需提取首层角部构件及关键部位构件的内力，验算构件扭矩的复合应力，看是否满足承载力要求，若不满足则局部加强或调整直至复合应力满足要求，此时认为满足隔震结构规则性要求，计算复合应力的公式为：
,式中
为正应力，
为考虑了扭转效应的切应力；
若其中两项或两项以上不满足指标限值，则需重复步骤三至步骤八，如此直至扭转效应指标量值满足要求为止；
若三项均满足指标要求的情况，则说明隔震后结构规则性满足要求。
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