土木工程视角下钢管混凝土异形柱框架结构减震隔震体系抗震性能分析

本文是一篇土木工程论文研究，本文通过 ETABS 有限元分析软件，建立减震结构、减隔震结构体系模型，对其进行反应谱分析、多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下的抗震性能分析，研究钢管混凝土异形柱框架减震结构，引入隔震技术的可行性及优势，分析结果如下：1) 对两种不同结构体系进行反应谱分析，结果表明：风荷载及地震作用下，层间位移角均满足规范限值要求。减震结构自振周期为 3.79s，减隔震结构自振周期为4.5s，引入隔震技术导致基本周期延长 0.71s，增加了 18.7%。在风荷载作用下减隔震结构底部几层层间位移角均大于减震结构，Y 向风荷载作用时层间位移角大于减震结构；X、Y 两个方向楼层位移均大于减震结构，说明引入隔震技术后，结构体系变得更“柔”，导致上部结构楼层位移增大。对于装配式住宅，楼层位移对“三板体系”影响较大，所以应对楼层位移进行控制。

第 1 章   绪论

1.1   论文的研究背景及意义
1.1.1    研究背景
地震产生的原因是地球表面岩层在巨大的挤压力之下产生褶皱，褶皱断裂时会释放出能量，产生巨大的破坏力。地震会造成建筑物破坏、倒塌，山体滑坡、泥石流等灾害，带来严重的人员伤亡和经济损失。我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇处，是地震多发国家。地震活动具有频度高、强度大、分布广、震源浅的特点。图 1-1 为我国主要地震带分布情况。

1949 年新中国成立以来发生多次强震，震源深度浅，破坏力极强。1966 年 3 月22 日，河北省宁晋县发生 7.2 级大地震，震中烈度 10 度；1976 年 7 月 28 日，河北省唐山市发生里氏 7.8 级地震，震中烈度 11 度，震源深度 12 千米，地震持续约 23秒。2008 年 5 月 12 日，四川省汶川县发生的 8.0 级地震，地震烈度达到 11 度，此次地震是新中国成立以来国内破坏性最强、波及范围最广、总伤亡人数最多的地震之一；2010 年 4 月 14 日，青海省玉树发生 7.1 级地震，震源深度 14 千米；2013 年4 月 20 日，四川省雅安市芦山县发生的 7.0 级地震，震源深度 13 公里，最大烈度 9度；2016 年 2 月 6 日，台湾省高雄市发生 6.7 级地震，震源深度 15 千米[1]。
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上世纪 80 年代，国外已经开始对异形柱进行研究。1983 年，Ramamurthy  L.N和 Hafeez Khan T.A 进行了 L 形双向偏压异形柱的理论分析与试验研究，并提出通过逆分析法获得柱子极限承载力的建议[3]。1985 年，Cheng Tzu 和 Thomas Hsu 针对 L形柱进行了双向偏压的数值模拟，给出了相应的计算公式[4]。1989 年，Cheng-Tzu, Thomas Hsu，对 T 形混凝土异形柱的轴压试验等进行相关研究[5]。1992年，Mahadevappa P 对 L 形混凝土异形柱结构的力学性能进行研究[6]。1997 年，Munoz P R 对钢骨混凝土异形柱进行压弯试验，结果表明混凝土与钢骨并不能共同工作[7]。1998 年Krawinkler  H,Seneviratna 对钢筋混凝土框架结构和钢管混凝土组合框架结构进行了弹塑性时程分析[8]。1999 年 El-Tawil S 对钢骨混凝土进行研究，提出轴压力下的正截面承载力计算公式[9]。2003 年，Matsui 对体系为方钢管混凝土组合柱-钢框架支撑的单层框架结构进行拟静力试验，试验证明该结构具有较好的抗震耗能能力[10]。2005年和 2008 年 Demagh K、Dundar C 等对混凝土异形柱进行大量试验研究，提出了混凝土异形柱的承载力计算方法[11,12]。2012 年，Tokgoz  S 等提出在钢筋混凝土异形柱中增加钢纤维，对构件进行了受压试验，结果表明加入钢纤维对提高结构的力学性能较为显著[13]。2016 年，Saiidi  M,  Sozen 分析了方钢管的管壁厚、内填充混凝土强度和相对大轴压比下等不同的参数条件对柱子滞回性能的影响[14]。

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第 2 章    减震隔震结构体系基本理论分析

2.1   消能减震结构工作原理
2.1.1   减震结构的基本原理
消能减震设计基本原理是在减震结构体系中，消能装置或元件消耗掉输入到结构体系的大部分地震能量，使结构本身消耗的能量减少，结构的地震反应得到削减，从而有效保护主体结构免受地震作用的破坏。减震技术由于构造简单、便于维护、造价低廉、减震效果明显，应用的范围广，既适用于新建工程，又适用于加固改造及扩建工程。

2.1.2   减震装置的简介和分类
消能减震装置大体上分为三类：速度相关性耗能装置、位移相关型耗能装置、调谐吸震型耗能装置。建筑工程中常用的减震装置有：屈曲约束支撑（BRB）、粘滞阻尼器（墙）、金属阻尼器、墙板式防屈曲减震构件、调谐质量阻尼器（TMD）等。
消能装置的布置原则与剪力墙布置原则类似，应沿结构主轴方向进行设置，宜设置在结构变形较大的位置，保证消能装置具有足够的耗能能力，并应使消能装置在结构高度方向刚度分布均匀，考虑结构的平面布局，尽量不影响建筑的使用功能。

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2.2   隔震结构工作原理
2.2.1   隔震结构的基本原理
基础隔震技术的基本原理是隔震层延长了结构自振周期，增大结构阻尼，减小结构加速度反应。地震作用时，由于隔震层刚度小，通过其水平变形来耗散地震能量，减少地震能量向上部结构的输入，达到减小结构振动的目的。如图 2-4 所示为传统建筑与隔震建筑地震表现示意图。

下面用建筑物的地震反应谱说明基础隔震原理。图 2-5 给出了普通建筑物的加速度反应谱和位移反应谱。从图 2-5 a)可以看出，当结构周期由图中0T 点，增加至1T 时，结构的剪力均减小。结构阻尼越大，剪力越小，说明延长结构周期、增大结构阻尼可以减小上部结构的剪力。从图 2-5  b)可以看出，结构周期由 T0 增加至1T 时，结构的位移响应增加，并且小阻尼比大阻尼要增加的更多，说明延长结构周期会使结构的位移响应增大。结构体系中设置隔震装置，可以延长结构自振周期，增大结构阻尼，但是不能同时减小上部结构的剪力和隔震层的位移。上部结构剪力响应减小的同时，位移响应会增大。

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第 3 章  消能减震体系抗震性能分析 ···························· 27
3.1  减震结构模型 ····························· 27
3.1.1   工程概况 ······················· 27
3.1.2   结构构件选择 ························ 27
第 4 章  减震隔震体系抗震性能分析 ································ 45
4.1  减隔震结构分析模型 ····································· 45
4.1.1   隔震支座参数与布置方案 ························· 45
4.1.2   橡胶隔震支座在 ETABS 中的实现 ······················ 47
第 5 章  减震结构及减隔震结构抗震性能对比 ·························· 69
5.1  模态分析结果对比 ···································· 69
5.2  反应谱分析结果对比 ······························ 69

第 5 章   减震结构及减隔震结构抗震性能对比

5.1    模态分析结果对比
对减震结构、减隔震结构周期进行对比，取前六阶振型，如表 5-1 所示。

由表 5-1 可知，减震结构第一自振周期为 3.79s，减隔震结构体系第一自振周期为 4.50s。减隔震结构与减震结构相比增加了 0.71s，说明基础增加隔震支座后结构体系自振周期延长，整体结构变得更“柔”。
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