1、Jun.Earthquake Resistant EngineeringgandRetrofitting2023Jun.2023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023年6 月Vol.45,No.3第45卷第3期工程抗震与加固改造文章编号1002-8412(2023)03-0076-07D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.010弹性限位对不同高度隔震结构动力响应影响分析韩森，储向阳，杜红凯，籍嘉浩(北京建筑交通工程学院，北京10 0 0 44)【提要通过弹性限位器对隔震结构的隔震层进行限位
2、，是减小隔震层变形，保障隔震结构在大震下安全的有效措施。为研究弹性限位装置对建筑高度不同的隔震结构动力响应的影响，运用OpenSees有限元软件，建立了5、10、15层3种带弹性限位的钢框架基础隔震结构模型，选取6 条地震动，进行8 度极罕遇地震动作用下36 0 个工况的动力计算。通过计算结果的对比分析发现，弹性限位对中低层隔震结构应用效果较好，对高层建筑结构效果不佳；隔震层限位会导致上部结构的层间位移角和楼层加速度均增大。为取得目标限位效果，需对限位参数优化设计。关键词 弹性限位；建筑高度；基础隔震；极罕遇地震；动力响应中图分类号TU352.1*2【文献标识码 ASeismic respon
3、se analysis of elastic limitations on base-isolated structures withdifferent heightsHan Miao,Chu Xiang-yang,Du Hong-kai,Ji Jia-hao(School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)Abstract:Elastic limitation device could be
4、installed on the isolation layer to reduce the deformation of the isolation layer and ensurethe safety of the isolation structure under the rare earthquake.In order to study the influence of elastic limitation device on dynamicresponse of isolated structures with different building heights,5-storey,
5、10-storey and 15-storey,with elastic limitation are modeled byfinite element software OpenSees.The dynamic responses of three structures of 360 limitation tests are compared and analyzed underextremely rare earthquakes of 8-degree seismic fortification zone.The results show that the elastic limit ha
6、s a remarkable effect on themiddle and low rise structure,but a poor effect on the high-rise structure.The elastic limitation will lead to the increase of the inter-storey drift angle and floor acceleration of the superstructure.In order to achieve the target limit effect,it is necessary to optimize
7、 thelimitparameters.Keywords:elastic limitations;building height;base isolation;very rare earthquake;dynamic responseE-mail:hanmiao 隔震结构通过隔震层的大变形来实现上部结构的小变形，当结构遇到超越原设防烈度的地震动时，隔震层可能会产生较大变形，导致隔震支座失效或与挡土墙发生碰撞。该现象在19 9 4年美国北岭地震中被监测到，一座隔震结构的隔震层与挡土墙发生了碰撞，上部结构的加速度和层间剪力被放大 。为隔震结构设置外置限位器，不影响隔震结构的常规设计，既能保证结构的
8、隔震性能，又可以减收稿日期2022-11-14基金项目国家重点研发计划项目（2 0 19 YFC1509500）北京建筑大学高精尖创新中心项目（UDC2019032424）小超设防地震作用下隔震层的变形，保障大震作用下隔震结构安全，该措施已经在新西兰的隔震建筑中得到应用 2 。国内外一些学者对带限位装置的基础隔震结构进行了相关研究。刘臣等 3 用橡胶与铅芯组合一种新型的限位装置，分析了滑移隔震结构的动力响应，给出了自滑区的长度和摩擦系数的建议取值。孔德睿等【4 对一个4层带限位隔震框架结构进行了罕遇地震下数值计算，给出了限位间距和限位刚度参数的取值范围。赖振锋等 5 设计了一种由橡胶和钢板组成
9、的柔性限位装置，通过试验验证和数值模拟证明了该装置能有效地减小隔震支座在罕遇地Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45,No.3202377韩森，等：弹性限位对不同高度隔震结构动力响应影响分析第45卷第3期震作用下的位移。黄潇等 6 研究了4种上部结构刚度不同的基础隔震结构，分析了在极罕遇地震作用下隔震结构无碰撞以及隔震层与限位墙发生碰撞时的动力响应，发现上部结构刚度越大，碰撞后破坏程度越严重。MasroorA.等 7.8 在OpenSees中建立了简化的挡土墙力学模型，较好地模拟了结构与挡土墙碰撞时的动力响应。韩淼等 9-
10、12 推导了限位碰撞过程的运动方程，设计了不同类型的软限位和硬限位装置，通过振动台试验研究了限位器对结构动力响应的影响，对预留距离和限位器的力学性能参数选择提出了优化建议。目前针对限位的研究均基于中低层隔震结构，缺少高层隔震结构限位的研究，本文利用有限元软件OpenSees建立了3种不同高度的钢框架基础隔震结构模型，对比分析弹性限位对不同高度隔震结构动力响应的影响。1模型建立和工况设置1.1结构基本信息与地震动选取设计层数分别为5层、10 层、15层的3种钢框架基础隔震结构模型，建筑抗震设防烈度为8 度（0.2 g），设计地震分组二组，场地类别I类。3种模型平面尺寸相同，X和Y方向均为5跨，每
11、跨均为7.2m，层高均为3.6 m，3种模型总高度分别为18、36、54m。以5层结构为基础模型，楼层高度向上依次增加五层，为使楼层刚度变化均匀，每5层结构采取相同的梁柱截面尺寸，上部结构柱子均采用方钢，梁均采用工字钢，梁柱尺寸如表1所示，钢材为Q355，楼板为10 0 mm厚的钢筋混凝土现浇板。结构所施加的重力荷载主要由恒荷载、活荷载两部分组成，恒载包括结构梁柱、混凝土楼板自重以及附加恒载（附加恒载2.5kN/m），活载为2 kN/m，在进行动力时程分析时结构各楼层质量源分布于各楼层梁柱节点位置。表13种结构梁柱截面尺寸Tab.1Dimensions of beam-column secti
12、on of three structures模型楼层5层10层15层梁(mm)柱(mm)梁(mm)柱(mm)梁(mm)柱(mm)15层15002001610口40 0 1616003002512口50 0 1517503002816口6 0 0 2 0610层15002001610口40 0 1616003002512口50 0 151115层15002001610口40 0 16共选取6 条不同频谱特性的天然地震动，分别为BorregoMtn（以下简称“W1”）、Ch i-Ch i（以下简称“W2）、K o c a e l i(以下简称“W3）、No r t h r i d g e（以下简称
13、“W4”）、Su p e r s t i t i o n H i l l s（以下简称“W5”）、TH4TC045（以下简称“W6”），原始波持时均在40 s左右，幅值在31.47 133.9 1Gal之间。6 条波的选取符合建筑隔震设计标准（GB/T51408-2021）的要求 13，由于需要罕遇地震动下的隔震层变形作为限位器预留间隙的选取标准，将地震动按8 度罕遇地震（0.4g）进行了调幅，图1为调幅后的反应谱。图2 给出了3种模型结构在非隔震情况下的层间位移角，在8 度多遇地震下，层间位移角未超出弹性位移角限值1/2 50；在8 度极罕遇地震动作用下，出现结构层间位移角超出弹塑性位移角限
14、值1/50的情况。因此对3种结构进行隔震设计。隔震支座平面布置如图3所示，5层结构采用LRB500和LNR500支座，10 层结构采用LRB600和2.0BorregoMtn(W1)Chi-Chi(W2)1.5Kocaeli(W3)(a)sxNorthridgc(W4)SuperstitionHills(W5)1.0TH4TG045(W6)罕遇反应谱0.50.00123456周期T(s)图1地震反应谱Fig.1Response spectrums of earthquakesLNR600支座，15层结构采用LRB700和LNR700支座，表2 给出了6 种隔震支座的力学参数。非隔震时结构的第一
15、阶周期分别为1.15、1.6 9、2.0 6 s，隔震结构的第一阶周期分别为2.7 5、3.59、4.0 2 s。为限制隔震层位移过大，在每个隔震支座东西两侧各设置了一个弹性限位器，共设置了7 2 个限位器，后面分析不同限位器刚度和预留间隙对限位结构体系动力响应的影响。EarthquakeResistant Engineeringgand RetrofittingJun.2023782023年6 月工程抗震与加固改造109.84一多遇反应谱7-W1-W2+多遇反应谱65-W3W4一多遇反应谱-WW24W5-w6楼-W1-W2W3-W44-W3-W4+W5-W623W5-W64210.000.0
16、10.020.030.000.010.020.030.000.010.02 0.03层间位移角层间位移角层间位移角(a)5层结构(b)10层结构(c)15层结构图2抗震结构的层间位移角Fig.2Inter-storey drift angle of seismic structure1.2数值计算原理梁柱单元采用非线性梁柱单元（NonlinearBeamColumn)14,该单元是由Filippou15提出的一种基于柔度法的梁柱单元模型，主要用于模拟弯曲型梁柱构件，具有较好的模拟效果并且收敛速度较快。隔震结构的阻尼采用瑞利阻尼计算，阻尼比取一阶、二阶频率对应的阻尼比。隔震支座采用ZeroLength单元模拟 14，分别用Steel02和Steel01材料本构表达支座LRB、LNR。Steel02为各向同性应变硬化的单轴Giuffr-Menegotto-Pinto模型，Steel01为各向同性应变硬化的单轴双线性模型，两本构关系如图4所示。碰撞单元采用ZeroLengthImpact3D单元 14,该LRBLRBLRBLRBLRBOLRBLNRLNRLNRLNRLRBCDLRBLNRLN