CN103790257B - 一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法，包括如下步骤：利用结构分析软件建立建筑结构的有限元模型：结构布置与设计：确定隔震支座的型号及数量：选定隔震支座的性能参数：进行隔震支座的布置，建立隔震模型：获取控制建筑结构隔震效率的指标量值：获取控制建筑结构隔震效率的减震系数：将减震系数与抗震性能化指标的范围进行比较；根据步骤九中的比较结果对隔震支座进行调整，实现对建筑结构隔震效率的控制。本发明解决了基于现有减震系数确定减震指标，进而调整隔震支座性能参数，无法精确有效地控制建筑物的隔震效率，无法保证上部结构及内部浮置文物安全的技术问题。

Description

一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法

技术领域

本发明涉及结构工程的隔震技术领域，特别是一种控制存在有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法。

背景技术

地震引发建筑运动对结构产生位移、加速度等宏观动力学响应，建筑运动加速度对建筑质点产生惯性力，惯性力产生地震剪力、倾覆力矩等宏观整体力学响应及剪力、轴力、弯矩等微观构件力学响应。

如何选用减震系数的确定指标，进而调整隔震支座性能参数，提高隔震效率，提高建筑物抗震性能，是现行规范设计方法合理、安全的关键。

结构水平位移越是接近结构底部，位移值越小，以非隔震模型的位移与固结模型的位移比值确定的减震系数，对于底部楼层来说误差较大，不适于作为减震系数的确定指标；而结构构件的内力响应，复杂多变，规律性较差，尤其是竖向不规则结构体系的构件还存在应力集中现象，同样不适于作为减震系数的确定指标。

现行规范采用整体结构的宏观力学响应的层剪力、层倾覆力矩作为隔震结构减震系数的确定指标，从而调整隔震支座性能参数，提高隔震效率；而对于竖向不规则的隔震结构，上述两个指标还不能全面的反映隔震结构的减震系数。具体到存在有重要浮置文物的建筑物中，其浮置文物的安全稳定，基本上只与建筑物的加速度响应相关，若不考虑加速度指标，无法精确调整隔震支座性能参数，对浮置文物可能存在安全隐患。

因此保证上部结构及内部浮置文物的安全，急需一种更加全面、更加合理的隔震结构隔震效率的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法，要解决基于现有减震系数确定指标，进而调整隔震支座性能参数，无法精确有效地控制隔震效率，无法保证上部结构及内部浮置文物安全的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法，包括如下步骤：

步骤一、利用结构分析软件建立建筑结构的有限元模型：建立上部结构体系为非隔震模型；

步骤二、结构布置与设计：进行建筑结构的整体构件布置及初步设计；

步骤三、确定隔震支座的型号及数量：使用步骤二中得到的上部结构竖向力设计值确定叠层橡胶隔震支座的型号及数量；

步骤四、选定隔震支座的性能参数：根据步骤三中叠层橡胶隔震支座的型号及数量初步选定叠层橡胶隔震支座的性能参数；

步骤五、进行隔震支座布置，建立隔震层；

步骤六、建立隔震模型：用结构分析软件建立带有隔震支座单元的隔震有限元模型，即将步骤一中的上部结构体系与步骤五中的隔震层进行组合作为隔震模型；

步骤七、获取控制建筑结构隔震效率的指标量值：采用结构分析软件对非隔震模型和隔震模型进行设防烈度及罕遇地震作用的分析，分析时对非隔震模型及隔震模型设定为非线性属性，绘制隔震模型与非隔震模型的各层建筑结构的加速度比（a _i ）、剪力比（F _i ）及倾覆力矩比（M _i ）包络最大值曲线共三个指标量值；

步骤八、获取控制建筑结构隔震效率的减震系数：依据步骤七的三个指标量值结果取全部楼层的最大值作为建筑结构的减震系数β=max{a _i ，F _i ，M _i }；

步骤九、将步骤八中获取的减震系数与抗震性能化指标的范围进行比较；

步骤十、根据步骤九中的比较结果对隔震支座进行调整，重复步骤三～步骤九直至减震系数满足抗震性能化指标的范围，实现对建筑结构隔震效率的控制。

所述步骤四中，初步选定叠层橡胶支座的水平性能参数为：

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）、屈服剪力（Q_y）；

初步选定叠层橡胶支座的竖向性能参数为：隔震支座的竖向抗压刚度（K _v）。

所述步骤十中，通过调整叠层橡胶隔震支座性能参数进行对隔震支座的调整，

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，调整等效刚度k _eq，

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，调整等效刚度k _eq、铅芯叠层橡胶隔震支座等效刚度k _eq、屈服前刚度K _b1、屈服后刚度K _b2和屈服剪力Q_y。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明立提出了一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法，提出在地震作用下，采用隔震模型与非隔震模型层的剪力比、层倾覆力矩比及层加速度比三个评价指标确定隔震结构的减震系数，对建筑结构的减震效率进行评价，进而调整隔震支座性能参数，提高隔震效率，提高建筑物抗震性能，对建筑结构中浮置文物的安全稳定提供可靠的保证，对建筑结构中特殊构件如转换梁、斜柱的安全设计提供可靠的减震系数。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明步骤三中叠层橡胶隔震支座的平面布置示意图。

图2为本发明实施例中设防烈度地震作用下各层减震系数曲线。

图3为本发明实施例中罕遇地震作用下各层减震系数曲线。

附图标记：1－叠层橡胶隔震支座。

具体实施方式

实施例结合附图，本发明中的浮置文物为浮放在博物馆类楼藏馆舍内的楼、地面、展柜上的文物，本实施例以某存在浮置文物的博物馆隔震结构对该方法作详细说明。

此博物馆的建筑结构为多层混凝土核心筒—钢框架及外钢网格的组合空间结构体系，地上部分存在多层大悬挑，最大悬挑长度29m，同时存在竖向大开洞；结构底部设置叠层橡胶隔震支座与上部结构组成竖向不规则的基础隔震结构体系。

该隔震结构体系竖向刚度不规则且存在浮置文物，控制其减震效率的方法，应按如下步骤依次实现：

步骤一、利用结构分析软件例如SAP2000，建立建筑结构的有限元模型：建立上部结构体系为非隔震模型；

步骤二、结构布置与设计：进行建筑结构的整体构件布置及初步设计；

步骤三、确定隔震支座的型号及数量：参见图1所示，使用步骤二中得到的上部结构竖向力设计值确定叠层橡胶隔震支座1的型号及数量；

步骤四、选定隔震支座的性能参数：根据步骤三中叠层橡胶隔震支座的型号及数量初步选定叠层橡胶隔震支座的性能参数；

初步选定叠层橡胶支座的水平性能参数为：

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）、屈服剪力（Q_y）；

初步选定叠层橡胶支座的竖向性能参数为：隔震支座的竖向抗压刚度（K _v）。

分列如表一：

其中：LNR表示无铅芯叠层橡胶隔震支座；LRB表示铅芯叠层橡胶隔震支座；700，800，900，1000，1200表示叠层橡胶隔震支座直径（单位：mm）。

步骤五、进行隔震支座布置，建立隔震层；

步骤六、建立隔震模型：用结构分析软件例如SAP2000软件，建立带有隔震支座单元的隔震有限元模型，即将步骤一中的上部结构体系与步骤五中的隔震层进行组合作为隔震模型；

步骤七、获取控制建筑结构隔震效率的指标量值：采用Midas结构分析软件或SAP2000结构分析软件，对非隔震模型和隔震模型进行设防烈度及罕遇地震作用的分析，分析时对非隔震模型及隔震模型设定为非线性属性，绘制隔震模型与非隔震模型的各层建筑结构的加速度比（a _i ）、剪力比（F _i ）及倾覆力矩比（M _i ）包络最大值曲线共三个指标量值；

步骤八、获取控制建筑结构隔震效率的减震系数：依据步骤七的三个指标量值结果取全部楼层的最大值作为建筑结构的减震系数β=max{a _i ，F _i ，M _i }；本实施例中设防烈度地震作用下，β=0.43；罕遇地震作用下，β=0.39。

参见图2所示为本实施例中设防烈度地震作用下的减震系数曲线，参见图3所示为本实施例中罕遇地震作用下的减震系数曲线。图中F为楼层编号；β为减震系数。

步骤九、将步骤八中获取的减震系数与抗震性能化指标的范围进行比较；抗震性能化指标的范围为：减小半度地震作用时0.53≥β≥0.40；减小一度地震作用时0.40>β>0.27；减小一度半地震作用时β≤0.27。

则本实施例中设防烈度地震作用下，β=0.43，罕遇地震作用下，β=0.39；计算结果满足抗震性能化指标。

步骤十、若步骤九中的比较结果不满足抗震性能化指标，则重复步骤三～步骤九直至减震系数满足抗震性能化指标的范围，实现对建筑结构隔震效率的控制。一般通过调整叠层橡胶隔震支座性能参数实现进行对隔震支座的调整，

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，调整等效刚度（k _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，调整等效刚度（k _eq）、铅芯叠层橡胶隔震支座等效刚度（k _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）和屈服剪力（Q_y）。

本发明中实施例中的SAP2000或Midas有限元计算软件采用铅芯叠层橡胶支承隔震装置模拟铅芯叠层橡胶隔震支座力学性能。铅芯叠层橡胶隔震支座恢复力模型在Wen提出的微分型恢复力模型的基础上对其进行改进，采用适用于铅芯叠层橡胶支座的双向耦合恢复力计算模型。铅芯叠层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，其余四个自由度具有线性弹性特性。普通叠层橡胶支座采用弹簧和线性阻尼器单元模拟。

铅芯橡胶支座隔震装置中的两个剪切方向弹簧的力与变形关系式如下：

其中

k _y ，k _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的初始刚度；

F _y,y ，F _y,z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的屈服刚度；

r _y ，r _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧屈服后刚度减小率；

d _y ，d _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的两节点间的变形；

z _y ，z _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的滞回效应的内部参数。

z _y ，z _z 作为反映滞回效应的内部参数，是由Park，Wen，及Ang（1986）等在Wen（1976）的单轴塑性模型的基础上所发展的双轴塑性模型来定义的。其微分方程式如下：

其中，

α _y ，β _y ，α _z ，β _z —关于单元坐标系y，z方向剪切弹簧的滞回曲线形状的常数；

d _y ，d _z —单元坐标系y，z方向剪切弹簧的两节点间的变形变化率。

Claims (2)

1.一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、利用结构分析软件建立建筑结构的有限元模型：建立上部结构体系为非隔震模型；

步骤二、结构布置与设计：进行建筑结构的整体构件布置及初步设计；

步骤三、确定隔震支座的型号及数量：使用步骤二中得到的上部结构竖向力设计值确定叠层橡胶隔震支座（1）的型号及数量；

步骤四、选定隔震支座的性能参数：根据步骤三中叠层橡胶隔震支座的型号及数量初步选定叠层橡胶隔震支座（1）的性能参数；

步骤五、进行隔震支座布置建立隔震层；

步骤六、建立隔震模型：用结构分析软件建立带有隔震支座单元的隔震有限元模型，即将步骤一中的上部结构体系与步骤五中的隔震层进行组合作为隔震模型；

步骤七、获取控制建筑结构隔震效率的指标量值：采用结构分析软件对非隔震模型和隔震模型进行设防烈度及罕遇地震作用的分析，分析时对非隔震模型及隔震模型设定为非线性属性，绘制隔震模型与非隔震模型的各层建筑结构的加速度比（a _i ）、剪力比（F _i ）及倾覆力矩比（M _i ）包络最大值曲线共三个指标量值；

步骤八、获取控制建筑结构隔震效率的减震系数：依据步骤七的三个指标量值结果取全部楼层的最大值作为建筑结构的减震系数β=max{a _i ，F _i ，M _i }；

步骤九、将步骤八中获取的减震系数与抗震性能化指标的范围进行比较；

步骤十、根据步骤九中的比较结果对隔震支座进行调整，重复步骤三～步骤九直至减震系数满足抗震性能化指标的范围，实现对建筑结构隔震效率的控制；

所述步骤四中，初步选定叠层橡胶支座的水平性能参数为：

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，得到的参数为等效刚度（k _eq）、等效阻尼比（ξ _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）、屈服剪力（Q_y）；

初步选定叠层橡胶支座的竖向性能参数为：隔震支座的竖向抗压刚度（K _v）。

2.根据权利要求1所述的一种控制储藏有浮置文物的建筑结构隔震效率的方法，其特征在于：所述步骤十中，通过调整叠层橡胶隔震支座性能参数进行对隔震支座的调整，

使用无铅芯叠层橡胶隔震支座时，调整等效刚度（k _eq），

使用铅芯叠层橡胶隔震支座时，调整等效刚度（k _eq）、铅芯叠层橡胶隔震支座等效刚度（k _eq）、屈服前刚度（K _b1）、屈服后刚度（K _b2）和屈服剪力（Q_y）。