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PKPM隔震设计模块的新隔规算例分析与对比

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结构在地震作用下的响应分析通常有两种方法:一种是振型分解反应谱法,按照不同的理论基础,可以进一步分为基于复振型的CCQC方法和基于实振型的CQC方法;另一种是时程分析方法,按照不同的设计依据,对应有不同的地震动选取标准与结构设计思路。在这里,作者对比了PKPM-GZ中采用CCQC方法与传统采用时程分析方法在隔震结构整体指标、构件内力以及设计信息三个层面上计算结果的差异。

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算例模型基本信息 

PKPM隔震设计模块的新隔规算例分析与对比

该隔震结构采用基底隔震,为了充分发挥铅芯橡胶支座LRB600的耗能能力,将其优先布置在隔震层的外围,如图中红圈所示。其余柱下均布置天然橡胶支座LNR600. 两种支座的本构模型如图所示,可以清楚地看到,隔震结构的非线性力学特征主要来源于LRB600支座。

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设计反应谱

众所周知,结构时程分析需要先对输入的地震波进行挑选。在挑选地震波方面,《建筑抗震设计规范》与《隔震建筑设计标准》最大的区别在于地震影响系数曲线(设计反应谱)的不同。在《隔震建筑设计标准》中,取消了《建筑抗震设计规范》中第二个下降段,并将第一个下降段延长至结构周期6.0秒。

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如何合理地生成人造波?

有了设计反应谱,我们应该如何来挑选地震波呢?为了尽可能减小天然地震波对结构影响的不确定性,这里输入到结构进行时程分析的地震波均是人造地震波。对于隔震结构这样的高阻尼比结构,如何来合理地选取人造波呢?

首先,绿色实线为阻尼比为 5%时的设计反应谱,将其作为生成人造波的目标谱时,需要将结构阻尼比定义为 5%.可以认为这样生成的人造波输入到传统的钢筋混凝土结构中是合理的,因为传统的钢筋混凝土结构的阻尼比约为 5%.如果将这样生成的人造波输入到高阻尼比结构(如阻尼比为 20%的隔震结构)中时,往往会使结构的实际响应小于 20%阻尼比对应的设计反应谱,就像图中的蓝色实线与黑色虚线。因此,在采用 20%阻尼比的设计反应谱时,应该搭配 20%的结构阻尼比,使得生成的人造波能够真实反映其对高阻比结构的地震作用,就像图中灰色虚线所示。

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总而言之,应该保证作用在反应谱上的阻尼比与生成人造波的结构阻尼比大小一致。有关这部分内容的进一步探究将在本公众号的近期文章中为大家继续呈现,敬请期待。

结构整体指标

从结构整体指标的对比结果中可以看出,按照《隔标》15.74%阻尼比选波所得的计算结果与CCQC吻合度较高,并且计算结果高于按照《隔标》5%阻尼比选波的计算结果,这与前面提到的如何合理选取人造波时提到的结论是吻合的。按照《抗规》5%阻尼比选波的计算结果会明显高于其他方法,其中一部分原因可以认为是《抗规》反应谱在其第二个下降段的地震影响系数会高于相同参数下的《隔标》反应谱。有关这一部分的详细探究,将在近期公众号的文章中为大家呈现。此外,值得注意的是,CCQC与 CQC的计算结果在结构无偏心的 Y方向(结构的质心与刚心)吻合度较高,在结构有偏心的 X方向吻合度相对较低。

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结构构件内力

以结构各层相应位置的边梁为例,对时程分析与振型分解反应谱法得到构件内力的计算结果进行对比。从两个方向边梁梁端弯矩的计算结果可以看出,规律与整体指标计算结果基本一致。

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结构构件配筋信息

以上面提到的两个边梁为例,这里继续对比它们的配筋结果。PKPM-GZ依据《隔标》中对隔震结构设计方法的要求,采用中震下隔震结构整体分析设计方法来计算构件的内力与配筋信息。为了与传统水平向减震系数法的设计结果进行对比,这里作者还分别给出了非隔震结构降一度的设计结果与非隔震结构不降度的设计结果。

结果表明,整体分析设计法的梁配筋结果介于降一度设计与不降度设计之间。是否按关键构件设计,对构件配筋结果的影响明显。

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结论1

按照结构实际阻尼比,并采用《隔震设计标准》中设计谱挑选地震波,能够更加准确反映结构的真实响应;

结论2

时程分析结果的内力离散性较大,仅适合作为补充验证计算;

结论3

CQC在结构整体指标、构件内力与设计信息的计算中,整体计算效果较好,两种方法计算结果接近,CCQC的结果跟隔规时程结果吻合度高;

结论4

整体分析设计法得到结构构件的配筋结果介于不降度设计与降一度设计之间,符合新隔规的性能目标——中震基本弹性,大震可修。

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