CN113802713A - 一种栅栏式隔震结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种栅栏式隔震结构及其设计方法，属于隔震结构技术领域。栅栏式隔震结构包括若干抗震单元，若干抗震单元以被保护建筑为圆心，排列分布在被保护建筑的外侧，形成圆形隔震结构；抗震单元的底面与地基固定；抗震单元为截面为矩形的块状结构。上述结构的设计方法通过有限单元法对隔震结构及地基进行建模和模拟。在对抗震单元及其圆形排列进行设计与计算时采用参数化建模的方法，只需要对设计的参数进行扫描，即可得到不同几何尺寸、不同材料的模拟结果。本发明布置方式简单易实施，解决了传统抗震结构设计复杂，安装难度较大的问题；解决了传统抗震方案不能在完全不改变既有建筑结构的情况下，对既有建筑抗震性能升级的问题。

Description

一种栅栏式隔震结构及其设计方法
技术领域
本发明属于隔震结构技术领域，具体涉及一种栅栏式隔震结构及其设计方法。
背景技术
地震是频繁发生的自然灾害，具有突发性与不可预测性。强烈的地震会引起地面的强烈振动，直接或间接地对社会及自然造成破坏。在生产实践中，地震灾害往往是破坏房屋建筑等地表结构的最大潜在威胁。当地震期间产生的地震波到达地表界面时会形成地震表面波(Rayleigh波)，表面波引起建筑结构的振动，是致使地面结构失效甚至破坏的主要原因。基于此，对于房屋建筑结构所处区域进行振动隔离是一个重要的问题。目前，针对房屋建筑结构的隔震技术主要分为基于阻尼隔震装置设计的大阻尼隔震支座、大区域隔震带和基于周期结构理论设计的隔震结构、波屏障等。
工程界长期采用的抗震方法是通过加固某些薄弱部位，增大刚度，来提高其抗震能力和承载力，抵抗地震作用。随着抗震技术的发展，目前结构减震方法大致分为：1)被动抗震技术：包含基础隔震、层间隔震、耗能减震(金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器)、吸能减震(质量调谐减震)方法；2)主动和半主动控制技术：包含主动斜撑和锚索、主动质量阻尼器、变阻尼控制器、变刚度控制器等；3)混合控制技术：主要采用混合质量阻尼器方式。
但是上述现有技术主要存在如下缺点：1)传统抗震设计中，结构在抵抗地震同时也吸收更多的地震能量，需要增大构件尺寸及配筋，大大提高了建造成本，也达不到良好的抵御地震的效果；2)现有的隔震支座与隔震带、以及主动控制器等结构设计复杂，造成其施工难度大、成本高；3)现有的抗震方法对既有建筑结构的改造能力差，一旦被保护的对象发生改变或抗震标准提高，需要对结构重新设计，需将建筑内外拆除后进行加固，工程量大，施工成本高、周期长，而且施工期间影响了建筑的使用。
发明内容
为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种栅栏式隔震结构及其设计方法，解决了传统抗震结构设计复杂，安装难度较大的问题；解决了传统抗震方案不能在完全不改变既有建筑结构的情况下，对既有建筑抗震性能升级的问题。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种栅栏式隔震结构，包括若干抗震单元，若干抗震单元以被保护建筑为圆心，排列分布在被保护建筑的外侧，形成圆形隔震结构；抗震单元的底面与地基固定；抗震单元为截面为矩形的块状结构。
优选地，相邻抗震单元的弧长间隔相等。
优选地，相邻抗震单元间隔圆心角为8°～18°。
优选地，抗震单元的材质与地基相同。
优选地，圆形隔震结构与被保护建筑之间的距离大于地震表面波Rayleigh波的波长。
优选地，抗震单元长度方向与圆形隔震结构的半径方向一致，宽度方向与圆形隔震结构的半径垂直。
优选地，地震表面波Rayleigh波的波源与圆形隔震结构中相隔最近的抗震单元的距离大于地震表面波Rayleigh波的波长。
本发明公开了上述栅栏式隔震结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据地震表面波Rayleigh波的频率及波长确定抗震单元的长度；
步骤2：建立包括地基、抗震单元和反射波吸收层的有限元模型；
步骤3：用二维平面单元对步骤3建立的有限元模型进行模拟；
步骤4：施加固定频率的Rayleigh波对抗震单元中的不同高度进行扫描，计算不同高度下的透射率，绘制高度-透射率关系曲线；
步骤5：在步骤4得到的高度-透射率关系曲线中选择曲线最低点对应的数值作为抗震单元的高度；
步骤6：确定抗震单元的宽度，得到抗震单元的三维结构；
步骤7：在三维结构下重复步骤3、4、5，建立抗震单元的三维有限元模型并进行模拟；
步骤8：对不同间距的抗震单元形成的圆形隔震结构进行扫描，计算不同间距下的透射率，绘制间距-透射率关系曲线，并确定透射率随抗震单元的间距的变化情况；
步骤9：根据上述得到的设计参数，将抗震单元按照不同的相邻间隔进行圆形排列，形成圆形隔震结构，完成栅栏式隔震结构的设计。
优选地，步骤3中，有限元模型是根据地基和抗震单元的材料密度、杨氏模量和泊松比建立的。
优选地，步骤7中，建立三维有限元模型时，在一个抗震单元两侧d0/2处添加周期性边界条件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种栅栏式隔震结构，通过若干抗震单元构成的圆形隔震结构对需要保护的建筑结构进行地震表面波(Rayleigh波)的隔离，当地震表面波出现并传播至隔震结构周围时，抗震单元会抑制地表的地震波向隔震结构内部的传播，从而保护隔震结构内部的建筑物免受地震的影响。圆形隔震结构可以对被保护建筑起到全方位的隔震作用，隔震效果好、结构紧凑。隔震结构由同一种抗震单元排列而成，布置方式简单易实施，可满足不同楼房建筑结构对地表Rayleigh波的隔离要求，避免了对既有建筑结构的改造，应用场合广泛；构成隔震结构的各抗震单元位于地表之上，抗震单元为截面为矩形的块状结构，其结构简单，不需要使用大尺寸构件或进行配筋操作，加工方便，同时降低了建造成本；不考虑抗震单元材料的阻尼等其他特性，避免了阻尼材料带来的弊端，具有不产生大变形，使用寿命长等特点。
进一步地，抗震单元不受材料种类的限制，可以采用与地基相同的材质，施工简便、成本低。
进一步地，圆形隔震结构与被保护建筑之间的距离大于地震表面波Rayleigh波的波长，能够保证为被保护建筑提供足够的隔震保护区域，同时减少穿透圆形隔震结构的地震波，提高隔震效果。
本发明公开的上述栅栏式隔震结构的设计方法，通过有限单元法对隔震结构及地基进行建模和模拟。在对抗震单元及其圆形排列进行设计与计算时采用参数化建模的方法，只需要对设计的参数进行扫描，即可得到不同几何尺寸、不同材料的模拟结果。在对抗震单元的高度进行设计时，以不同高度下的透射率作为衡量指标，透射率越低说明结构对地震表面波隔震的效果越好。
进一步地，建立三维有限元模型时，在一个抗震单元对应地基结构的两侧添加周期性边界条件，实现用一个抗震单元及其对应地基结构模拟不同阵列间距下隔震结构的功能，可以大大提高计算效率。
附图说明
图1为本发明的圆形排列的栅栏式隔震结构的整体结构示意图；
图2为本发明的抗震单元在不同高度下的透射率曲线图；
图3为本发明的抗震单元在不同直线阵列间距下的透射率曲线图；
图4为本发明的抗震单元在不同工作频率下的透射率曲线图；
图5为有圆形排列的栅栏式隔震结构时保护区域平均幅值计算示意图；
图6为无栅栏式隔震结构时保护区域平均幅值计算示意图；
图7为不同间隔圆心角下圆形隔震结构在外部作用60Hz的Rayleigh波时的相对幅值场分布图；
图8为不同间隔圆心角下圆形隔震结构内受保护区域的相对位移幅值曲线图。
图中：1-被保护建筑，2-圆形隔震结构，3-抗震单元，4-地基，5-地层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
本发明的栅栏式隔震结构，包括地基4和若干抗震单元3；抗震单元3为矩形块状结构；抗震单元3固定于地基4之上，并且地基4与抗震单元3的材质可以相同。若干抗震单元3按照圆形排布组成圆形隔震结构2，被保护对象1位于圆形隔震结构2所围的范围之内。
地基4作为建筑结构之下的支撑基础，图1所示的地基4可视为下部为地层5的半无限大的空间体，其组成材料由具体的工况决定。
抗震单元3如图3所示，其长度、宽度和高度分别为l、w和h。在设计过程中，可以通过地震表面波Rayleigh波的波长来确定抗震单元3的长度参数l，通过合理的抗震单元3间隔来确定抗震单元3的宽度参数w，使设计具有广泛的适应性；同时，上述方法确定的抗震单元3能够对Rayleigh波的传播产生抑制作用，为后续抗震单元3合理的高度h的设计和圆形排列隔震结构的确定打下基础。
如图1所示，抗震单元3以弧长间隔Γ排列成圆形隔震结构2，圆形隔震结构2的排列间隔为相邻两个抗震单元3的底面中心点之间的弧长距离，其中抗震单元3按照长度边l沿圆形隔震结构2径向、宽度边w沿圆形隔震结构2切向的方向进行放置；圆形隔震结构2到被保护建筑1的距离大于Rayleigh波的波长，被保护的建筑1位于圆形隔震结构2所围的保护区域之内；在圆形隔震结构2中，抗震单元3的个数及弧长间隔Γ可根据被保护建筑1的具体抗震要求进行调整。
下面以具体实施例对本发明的栅栏式隔震结构和设计方法进行解释说明：
抗震单元3与地基4的材质可以相同，本实施例中两者的材料均为黏土，其密度、杨氏模量和泊松比分别为1200kg/m3，0.766GPa，0.27678；地表Rayleigh波的频率为60Hz，对应的波长λr为7.7m；
其设计方法：
首先，需要先确定抗震单元3的矩形截面尺寸，设计合理的高度h。采用COMSOLMultiphysics软件先建立有限元二维模型，模型包括地基4、抗震单元3和反射波吸收层(PML)。抗震单元3的长度l一般以具体Rayleigh波的波长进行适当选取，在本实施例中，取抗震单元3的长度l＝8.31m；反射波吸收层的厚度取15mm(大于Rayleigh波的波长)；抗震单元3位于地基4上；地基4、抗震单元3和反射波吸收层均采用二维映射网格剖分；赋予整个模型材料属性，包括密度、杨氏模量和泊松比；设置频域分析研究；采用COMSOL Multiphysics软件，在地基4上施加幅值为1N/m2、频率为60Hz的地表Rayleigh波；计算抗震单元3在不同高度h下Rayleigh波的透射率T，得到的结果如图2所示。透射率T是衡量抗震单元3对地震波隔震效果的一个指标，当透射率小于1时表明抗震单元3具有隔震功能，且透射率越小，说明隔离效果越好。图2的计算结果表明：当h＝1.97m时，透射率T取得最小值，为0.064，而继续增大抗震单元3的高度时，透射率将会升高，反而降低了对地震表面波的隔离效果。因此，选定使用l＝8.31m与h＝1.97m作为抗震单元3的几何参数。
进一步地，对三维的抗震单元3进行设计，并确定透射率随抗震单元3的间距d0的变化情况。以需要隔离的Rayleigh波波长作为宽度选取的依据，将抗震单元的宽度w取为Rayleigh波波长的1/5。在本实施例中，Rayleigh波的频率为60Hz，波长λr＝7.7m的情况下，抗震单元3的宽度w＝1.54m。在COMSOL Multiphysics中对设计好的三维抗震单元进行建模并模拟，与二维模型相似，建立的三维模型同样包括地基4、抗震单元3和反射波吸收层；利用COMSOL Multiphysics软件中的周期边界设置，以抗震单元3与地基4接触的底面中心点为参考点，在沿宽度w所在的方向距离抗震单元3底面中心点两侧d0/2处的地基边界面上添加周期性边界条件，相当于将抗震单元3以间距d0沿宽度w所在的方向进行周期排列，从而达到只用建立一个抗震单元3便可得到将抗震单元3排列成以d0为间距的直线阵列的目的，其中应指出的是，间距d0的大小应大于抗震单元3本身的宽度w；采用扫掠网格对模型进行剖分，其余设置与二维情况下一致。计算透射率T随着周期排列间距d0的变化，结果如图3所示。计算结果表明：对于设计的三维抗震单元，当周期排列的间距d0＝2.31m时，对地震表面波能够取得很好的隔离效果，并且当排列间距d0为2.3m～5.4m之间时，透射率T没有明显的变化，是一条平缓的曲线，说明在计算的间距范围内隔离效果几乎不变，表明结构具有稳定的隔震效果。
基于此，选取了图3曲线中的中间点对应的间距d0＝3.85m作为抗震单元3的周期排列间距，进一步研究了设计的抗震单元3在不同频率的Rayleigh波作用下的响应，计算结果如图4所示。计算结果表明，抗震单元3在计算的频率范围内透射率均小于1，因此对于55-65Hz的地表Rayleigh波均可以实现较好的隔离效果。
基于上述对抗震单元3的设计，将抗震单元3进行圆形排列布置，形成离散型的圆形隔震结构2，圆形隔震结构2的圆心到各抗震单元3的中心的距离为24m(大于3倍Rayleigh波的波长)，相邻抗震单元3的中心间隔用弧长Γ表示，施加的Rayleigh波的波源距离圆形隔震结构2的圆心的距离为57.45m，如图5所示。为了直观地显示对地震表面波的隔离效果并提高计算效率，选取模型的一半进行建模计算，在软件COMSOL Multiphysics中在对称面处施加对称边界条件。
图7为不同间隔圆心角下圆形隔震结构在频率为60Hz的Rayleigh波作用下的相对幅值场分布图，6种间隔下相邻抗震单元3之间对应的圆心角分别为8°，9°，10°，12°，15°及18°，由图7中可以看出，圆形隔震结构2将Rayleigh波隔绝在抗震结构外部，从而对楼房建筑结构起到了很好的防护效果。
为了定量地评价圆形隔震结构2的隔震效果，在圆形隔震结构2所围的保护区域中，以保护区域的中心为圆心，选取了两个同心圆区域作为计算保护区域，两区域的半径分别为R1＝7.7m(1个Rayleigh波波长)和R2＝3.85m(0.5倍Rayleigh波波长)，如图5所示。定义一个描述抗震结构抗震性能的物理量AM，AM称为相对位移幅值，具体的形式由公式(1)描述。公式(1)中，A′ ave表示图5中铺设了圆形隔震结构2时计算保护区域中的平均位移幅值，Aave表示图6中未布置圆形隔震结构2时相同的计算区域中平均位移幅值，相对位移幅值AM为A′ave与Aave的比值。AM的值小于1时即意味着结构具有抗震效果，并且该值越小，抗震效果越好。如图8所示，显示了相对位移幅值AM随着相邻抗震单元3对应圆心角的变化。结果表明，在抗震结构所围的区域中，选取的计算保护区域的相对幅值均小于1，均可得到有效的抗震效果，最好的情况可以将振动响应的幅值减小70％。
AM＝A′ave/Aave (1)
通过对抗震单元3以及圆形隔震结构2进行设计，实现了对地震表面波Rayleigh波的隔离，其中，圆形隔震结构2所围的抗震区域可以根据实际被保护建筑1的情况进行调整，应用场合广泛；所用的抗震单元3结构简单，降低了设计与加工的成本。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种栅栏式隔震结构，其特征在于，包括若干抗震单元(3)，若干抗震单元(3)以被保护建筑(1)为圆心，排列分布在被保护建筑(1)的外侧，形成圆形隔震结构(2)；抗震单元(3)的底面与地基(4)固定；抗震单元(3)为截面为矩形的块状结构。
2.根据权利要求1所述的栅栏式隔震结构，其特征在于，相邻抗震单元(3)的弧长间隔相等。
3.根据权利要求1所述的栅栏式隔震结构，其特征在于，相邻抗震单元(3)间隔圆心角为8°～18°。
4.根据权利要求1所述的栅栏式隔震结构，其特征在于，抗震单元(3)的材质与地基(4)相同。
5.根据权利要求1所述的栅栏式隔震结构，其特征在于，圆形隔震结构(2)与被保护建筑(1)之间的距离大于地震表面波Rayleigh波的波长。
6.根据权利要求1所述的栅栏式隔震结构，其特征在于，抗震单元(3)长度方向与圆形隔震结构(2)的半径方向一致，宽度方向与圆形隔震结构(2)的半径垂直。
7.根据权利要求1所述的栅栏式隔震结构，其特征在于，地震表面波Rayleigh波的波源与圆形隔震结构(2)中相隔最近的抗震单元(3)的距离大于地震表面波Rayleigh波的波长。
8.权利要求1～7任意一项所述栅栏式隔震结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据地震表面波Rayleigh波的频率及波长确定抗震单元的长度；
步骤2：建立包括地基(4)、抗震单元(3)和反射波吸收层的有限元模型；
步骤3：用二维平面单元对步骤3建立的有限元模型进行模拟；
步骤4：施加固定频率的Rayleigh波对抗震单元(3)中的不同高度进行扫描，计算不同高度下的透射率，绘制高度-透射率关系曲线；
步骤5：在步骤4得到的高度-透射率关系曲线中选择曲线最低点对应的数值作为抗震单元(3)的高度；
步骤6：确定抗震单元(3)的宽度，得到抗震单元(3)的三维结构；
步骤7：在三维结构下重复步骤3、4、5，建立抗震单元(3)的三维有限元模型并进行模拟；
步骤8：对不同间距的抗震单元(3)形成的圆形隔震结构(2)进行扫描，计算不同间距下的透射率，绘制间距-透射率关系曲线，并确定透射率随抗震单元(3)的间距的变化情况；
步骤9：根据上述得到的设计参数，将抗震单元(3)按照不同的相邻间隔进行圆形排列，形成圆形隔震结构(2)，完成栅栏式隔震结构的设计。
9.根据权利要求8所述的栅栏式隔震结构的设计方法，其特征在于，步骤3中，有限元模型是根据地基(4)和抗震单元(3)的材料密度、杨氏模量和泊松比建立的。
10.根据权利要求8所述的栅栏式隔震结构的设计方法，其特征在于，步骤7中，建立三维有限元模型时，在一个抗震单元(3)两侧d0/2处添加周期性边界条件。
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