【Perform3D】橡胶隔震单元初探

“通过隔震支座优化结构抗震性能”

本次推文以中的钢框架模型为算例，通过选用合理的隔震支座来提高结构的抗震性能。

PERFORM-3D中的橡胶隔震单元

PERFORM-3D的橡胶隔震单元（Seismic Isolator, Rubber Type）可见于”Component” → “Inelastic”，其单元示意图如图1所示。由图1可知，橡胶隔震单元由3个组件组成：1个零长度单元和2个刚性连接件。如若把控好零长度单元的本构定义方法，则可在OpenSees中建立与P3D等效的橡胶隔震单元。

图1 橡胶隔震支座示意图

拉压特性

常规的橡胶隔震支座具有抗压刚度大的特点，因此一般取一大值做为其抗压刚度值(或根据参数定义)。橡胶隔震支座抗拉刚度小，但由于《抗规》条文12.2.3要求罕遇地震下水平地震和竖向地震同时作用时，隔震支座的拉应力不超过1MPa，因此抗拉刚度用一大值代替，一般情况下不会对结果造成太大影响。

橡胶隔震支座受拉性能差。抗规条文12.1.3对结构高宽比有一定限制，一定程度就是为了避免隔着支座在水平荷载下产生较大的拉力。

抗剪特性

隔震支座通过其抗剪特性来滞回耗能。隔震支座的抗剪本构可分为二折线本构和三折线本构（大变形下使用），具体的本构参数则通过厂家提供的数据来进行定义。

图2 拉压和抗剪特性

抗弯和抗扭特性

橡胶隔震支座不具备抗弯和抗扭刚度。零长度单元处弯矩值为0，但单元内部的剪力会在两端节点产生弯矩；除此之外，单元的二阶效应会在节点处产生附加弯矩，具体可详见用户手册。

算例

笔者认为，隔震支座主要通过延长结构周期、滞回耗能两种方式来达到隔着的效果。本小节取推文中的钢框架模型为算例，通过选用合理的隔震支座来提高结构的抗震性能。

隔震支座的选取

《抗规》条文12.2.3给出隔震的设计条件，如表1所示。通过压应力限值条件计算得橡胶支座的直径应大于582mm；无隔震结构在以1：0.85：0.65三向组合的0.55g地震波作用下，底层框架柱无拉力产生，因此结构易满足拉应力限值要求；对于水平变形限值的验算，则在后期分析中同步进行。

根据验算结果初步选用了某公司的3个型号的橡胶隔震支座，隔震支座的具体参数如下表所示。

多遇地震下的减震系数

在弹塑性分析下，根据楼层剪力来计算隔震结构在多遇地震下的减震系数，计算结果如下表所示。由下表可知，在多遇地震下，由于该 20 层钢框架结构周期较长（基本周期3.7s），且隔震支座非线性耗能不明显，因此减震系数较高，减震效果不明显。

0.55g下的减震系数

在弹塑性分析下，根据顶点峰值相对加速度来计算隔震结构减震系数，计算结果如表7-3所示，结构层间位移角曲线如图7-3所示。

由图7-3及表7-3可知，在罕遇地震下，隔震支座对于 Y 向的减震作用明显与 X 向。这是由于结构Y 向刚度大于 X 向刚度，因此在相同地震波作用下， Y 向地震波作用下的基底剪力大于 X 向的基底剪力，进而使隔震支座耗能更为显著，减震作用更为明显。

同时我们可以发现， 3 种隔震支座中，直径 600mm 的 GZY-600 具有最好的减震作用。这是由于GZY-600 隔震支座屈服前刚度较小，且具有较低的屈服力，因此在地震波作用下能更快进入非线性，通过非线性耗能消耗地震波输入的能量，因此具有更好的减震效果。

性能分析

对有隔震（取600mm隔震支座）和无隔震结构分别进行0.55g EI Centro波的动力时程分析，利用THPP【工具】THPP（PERFORM-3D后处理程序）包络X向、Y向和45度地震的构件损伤情况，包络结果如图3所示。由图3可知，隔震结构在该地震波下所有构件均处于Operational（完好）性能状态，抗震性能优于无隔震结构。

图3 0.55g构件性能状态示意图

由前期分析可知，无隔震结构在0.8gY向EI Centro波下已有明显的损伤，因此分别对有隔震和无隔震结构进行0.8g EI Centro波的动力时程分析，构件性能状态如图4所示。由图4可知，无隔震结构已有大量框架梁超过了CP限值，而有隔震的结构仅有少量框架梁进入了LS性能状态，结构损伤明显小于无隔震结构。

图4 0.8g构件性能状态示意图

隔震支座在0.55g及0.8g地震波下的典型滞回环如图5所示。根针支座的水平位移值小于330mm，未超过规范限值。

图5 典型隔震支座滞回环

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