论文部分内容阅读
（西安建筑科技大学土木工程学院 陕西西安 710055）
摘要：隔震支座的受拉验算是隔震设计中的重要环节。目前，橡胶隔震支座多数采用拉压刚度相等单元模拟，这会使计算出的支座拉应力过大。本文通过中单元与单元并联来共同模拟橡胶隔震支座，更加真实的反应支座竖向刚度。
关键词：隔震支座；单元；单元；并联；拉压刚度
1 引言
现代隔震技术中，研究得最成熟且工程应用最广的是叠层橡胶隔震技术[1]。该技术由叠层橡胶支座形成隔震层，通过隔震层的水平变形延长结构的自振周期，减少上部结构的地震能量输入，使上部结构在强震中仍处于弹性状态，确保建筑物和人员的生命财产安全[2]。因此，能否准确模型橡胶支座就变得至关重要。
2 橡胶隔震支座模型
2.1 Isolator1单元[3]
目前，橡胶隔震支座一般采用单元来进行模拟。该单元的轴向可以保持线性属性，只需要定义该方向的有效刚度和有效阻尼，有效刚度在整个分析过程中保持不变，即拉压刚度始终相等；单元的两个水平剪切方向可以自由的定义线性或者非线性行为。
目前，已经有文献指出，橡胶隔震支座并非拉压刚度相同，而是受拉刚度只有受压刚度的[4]。因此，采用拉压刚度相等的单元来模拟橡胶隔震支座，必然会过大的计算出支座的拉应力，这对于大高宽比隔震结构的发展是非常不利的。因此，要想准确模拟橡胶隔震支座，必须要选用拉压刚度不等的竖向恢复力模型。
2.2 缝（Gap）单元[3]
单元为只能承受压力的非线性连接单元，即只有竖向压缩刚度，没有拉伸刚度，两个水平方向的剪切刚度也为零。其非线性的力-变形关系如图：
其中，k为弹簧刚度，为弹簧的内部变形，为缝隙的宽度（应为正值）。当压缩变形增加到大于缝隙宽度时，弹簧开始起作用。
2.3 橡胶隔震支座模型的改进[5]
本文将Isolator1单元与Gap单元并联使用，共同模拟改进后拉压刚度不等的橡胶隔震支座单元。设改进前橡胶支座的竖向刚度為K1，两个水平方向剪切刚度为k2=k3。改进后的Isolator1单元竖向刚度变为η1k1，拉压刚度比η1的取值范围是1/5-1/10，两个水平方向剪切刚度不产生变化，仍为K2=K3。Gap单元竖向刚度为（1-η1）k1，两个水平方向剪切刚度为零。
对于改进后的支座单元，当支座处于压缩状态时，支座的竖向刚度由Isolator1单元与Gap单元共同承担，竖向刚度大小为η1k1+（1-η1）k1=k1，两个水平方向剪切刚度为K2=K3；当支座处于拉伸状态时，支座的竖向刚度仅由改进后的Isolator1单元承担，大小为η1k1，两个水平方向剪切刚度仍为k2=k3。
3 隔震结构时程分析
3.1 工程概况
该工程为天水市某康复中心，主平面尺寸为55.2m×15.9m，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，总结构高度41.1m，高宽比为2.6，抗震设防烈度为8度（0.3g）。
通过计算，本工程选取600mm和700mm两种直径橡胶隔震支座，其中LNR为天然橡胶支座，LRB为铅芯橡胶支座，支座布置如图1所示，支座拉压刚度比根据文献[6]建议取1/8，改进前后支座参数见表1。地震波采用E1-Centro波、Taft波和人工波，取包络值计算，将结构在8度（0.3g）罕遇地震作用下的隔震效果进行分析。
3.2 时程分析
从表2可以看出，采用拉压刚度相等的单元模拟橡胶隔震支座时，支座的拉应力不能满足规范要求[7]，而在采用单元与单元并联模拟橡胶隔震支座后，由于更加真实的反应了支座的受拉刚度，因此在荷载组合下计算不产生拉应力。由此可以看出，要想真实的反应橡胶隔震支座竖向性能，必须采用拉压刚度不等的模型。
表1 隔震支座竖向刚度
改进后的支座模型由于没有改变支座的水平刚度，因此不会影响上部结构的水平性能。由此可以得出，本文对橡胶隔震支座力学性能的模拟是准确的。该方法可以应用到隔震结构计算分析中，对于大高宽比隔震结构的发展具有一定的推动性。
4 结论
（1） 模拟橡胶隔震支座时，若采用拉压刚度相等的模型，会过大的估计支座的受拉刚度，与实际不符。
（2） 采用Isolatorl单元与Gap单元并联模拟橡胶隔震支座的方法，能更加真实的模拟橡胶隔震支座拉压刚度不相等这一非线性特性，并且不会改变支座的水平性能。
（3） 采用改进后的模型模拟橡胶隔震支座时，在罕遇地震作用下隔震支座出现拉应力的几率大大减小，并且改进后的模型不會改变上部结构的水平性能。该方法可以应用到隔震结构计算分析中，对于大高宽比隔震结构的发展具有一定的推动性。
参考文献：
[1] 谭平， 周福霖. 隔震技术的研究与工程应用[J]. 施工技术， 2008， 37（10）： 5-8.
[2] 周福霖. 工程结构减震控制[M]. 北京： 地震出版社， 1997.
[3] 北京金土木软件技术有限公司. ETABS中文版使用指南[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2004.
摘要：隔震支座的受拉验算是隔震设计中的重要环节。目前，橡胶隔震支座多数采用拉压刚度相等单元模拟，这会使计算出的支座拉应力过大。本文通过中单元与单元并联来共同模拟橡胶隔震支座，更加真实的反应支座竖向刚度。
关键词：隔震支座；单元；单元；并联；拉压刚度
1 引言
现代隔震技术中，研究得最成熟且工程应用最广的是叠层橡胶隔震技术[1]。该技术由叠层橡胶支座形成隔震层，通过隔震层的水平变形延长结构的自振周期，减少上部结构的地震能量输入，使上部结构在强震中仍处于弹性状态，确保建筑物和人员的生命财产安全[2]。因此，能否准确模型橡胶支座就变得至关重要。
2 橡胶隔震支座模型
2.1 Isolator1单元[3]
目前，橡胶隔震支座一般采用单元来进行模拟。该单元的轴向可以保持线性属性，只需要定义该方向的有效刚度和有效阻尼，有效刚度在整个分析过程中保持不变，即拉压刚度始终相等；单元的两个水平剪切方向可以自由的定义线性或者非线性行为。
目前，已经有文献指出，橡胶隔震支座并非拉压刚度相同，而是受拉刚度只有受压刚度的[4]。因此，采用拉压刚度相等的单元来模拟橡胶隔震支座，必然会过大的计算出支座的拉应力，这对于大高宽比隔震结构的发展是非常不利的。因此，要想准确模拟橡胶隔震支座，必须要选用拉压刚度不等的竖向恢复力模型。
2.2 缝（Gap）单元[3]
单元为只能承受压力的非线性连接单元，即只有竖向压缩刚度，没有拉伸刚度，两个水平方向的剪切刚度也为零。其非线性的力-变形关系如图：
其中，k为弹簧刚度，为弹簧的内部变形，为缝隙的宽度（应为正值）。当压缩变形增加到大于缝隙宽度时，弹簧开始起作用。
2.3 橡胶隔震支座模型的改进[5]
本文将Isolator1单元与Gap单元并联使用，共同模拟改进后拉压刚度不等的橡胶隔震支座单元。设改进前橡胶支座的竖向刚度為K1，两个水平方向剪切刚度为k2=k3。改进后的Isolator1单元竖向刚度变为η1k1，拉压刚度比η1的取值范围是1/5-1/10，两个水平方向剪切刚度不产生变化，仍为K2=K3。Gap单元竖向刚度为（1-η1）k1，两个水平方向剪切刚度为零。
对于改进后的支座单元，当支座处于压缩状态时，支座的竖向刚度由Isolator1单元与Gap单元共同承担，竖向刚度大小为η1k1+（1-η1）k1=k1，两个水平方向剪切刚度为K2=K3；当支座处于拉伸状态时，支座的竖向刚度仅由改进后的Isolator1单元承担，大小为η1k1，两个水平方向剪切刚度仍为k2=k3。
3 隔震结构时程分析
3.1 工程概况
该工程为天水市某康复中心，主平面尺寸为55.2m×15.9m，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，总结构高度41.1m，高宽比为2.6，抗震设防烈度为8度（0.3g）。
通过计算，本工程选取600mm和700mm两种直径橡胶隔震支座，其中LNR为天然橡胶支座，LRB为铅芯橡胶支座，支座布置如图1所示，支座拉压刚度比根据文献[6]建议取1/8，改进前后支座参数见表1。地震波采用E1-Centro波、Taft波和人工波，取包络值计算，将结构在8度（0.3g）罕遇地震作用下的隔震效果进行分析。
3.2 时程分析
从表2可以看出，采用拉压刚度相等的单元模拟橡胶隔震支座时，支座的拉应力不能满足规范要求[7]，而在采用单元与单元并联模拟橡胶隔震支座后，由于更加真实的反应了支座的受拉刚度，因此在荷载组合下计算不产生拉应力。由此可以看出，要想真实的反应橡胶隔震支座竖向性能，必须采用拉压刚度不等的模型。
表1 隔震支座竖向刚度
改进后的支座模型由于没有改变支座的水平刚度，因此不会影响上部结构的水平性能。由此可以得出，本文对橡胶隔震支座力学性能的模拟是准确的。该方法可以应用到隔震结构计算分析中，对于大高宽比隔震结构的发展具有一定的推动性。
4 结论
（1） 模拟橡胶隔震支座时，若采用拉压刚度相等的模型，会过大的估计支座的受拉刚度，与实际不符。
（2） 采用Isolatorl单元与Gap单元并联模拟橡胶隔震支座的方法，能更加真实的模拟橡胶隔震支座拉压刚度不相等这一非线性特性，并且不会改变支座的水平性能。
（3） 采用改进后的模型模拟橡胶隔震支座时，在罕遇地震作用下隔震支座出现拉应力的几率大大减小，并且改进后的模型不會改变上部结构的水平性能。该方法可以应用到隔震结构计算分析中，对于大高宽比隔震结构的发展具有一定的推动性。
参考文献：
[1] 谭平， 周福霖. 隔震技术的研究与工程应用[J]. 施工技术， 2008， 37（10）： 5-8.
[2] 周福霖. 工程结构减震控制[M]. 北京： 地震出版社， 1997.
[3] 北京金土木软件技术有限公司. ETABS中文版使用指南[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2004.