基于MIDASGen的隔震钢框架结构抗震性能分析

广东土木与建筑
GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING
2021年5月
第28卷第5期MAY 2021
Vol.28No.5DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2021.05.005
作者简介：俆飞鸿（1962-），男，硕士研究生，教授，主要从事混
凝土结构设计原理与结构试验技术的工作和研究。

E-mail ：****************
0引言
建筑隔震技术是最近四十年来抗震防灾工程领域最重大的创新技术之一，现阶段具有无可比拟的优越性，能降低地震力的50%~80%［1］。

隔震技术能使结构安全性成倍提高，并能保护内部设备仪器，在地震后不丧失使用功能，实现结构、生命、室内财产三保护［2］。

于是，科研人员开始逐渐将研究从建筑抗震转向建筑隔震上。

与此同时，钢材作为一种自重轻、强度高、抗震性能好、施工周期短、回收利用率高的建筑材料，且广泛适用于建造多高层建筑物、大跨度工业厂房、以及桥梁工程中［3］。

而我国又是一个地震多发的国家，如何减少地震中的损失，如何采用一种安全、有效、合理又经济的建筑隔震结构体系，将进一步推动钢结构在我国的发展，实现从建筑抗震到建筑隔震的平稳过渡［4-5］。

1工程概况
本文选用1栋商用建筑进行数值模拟，建筑总高
度为49.5m ，采用带八字斜撑的钢框架结构形式。

本
建筑1~3层为裙房，每层层高设为4.5m ，4~10层用作办公区，层高均为3.0m ，自10层开始由于功能需要向中间缩进，每层层高为3.3m 。

框架柱网横向为10跨，纵向为6跨，且横向和纵向的柱间距均为6.0m 。

结构构件截面尺寸如下：柱为HW400×400×20×35，梁为HW350×350×10×16，斜撑为HW250×250×9×14。

结构荷载取值如表1所示。

结构的最底层平面布置如图1所示。

2MIDAS/Gen 建模
采用MIDAS/Gen 软件建立模型如图2所示，MI⁃
DAS/Gen 采用软件内置的“一般连接”边界条件来模拟隔震支座［6-7］。

并按照结构恒荷载和活荷载组合求得的基底反力，确定了支座的最小尺寸。

再在水平屈服承载力要求下选择合适的支座，且考虑到扭转影响，把刚度较大的铅芯橡胶支座尽可能布置在周边，
基于MIDAS/Gen 的隔震钢框架结构抗震性能分析
俆飞鸿，李
翠
（长沙理工大学
长沙410114）
摘要：基于MIDAS/Gen 建立一组有限元模型，模型1为某15层钢框架结构，即原结构；模型2为在原结构中间层增加橡胶隔
震支座，形成层间隔震结构；模型3为在原结构基础与上部结构之间增加隔震层，形成基础隔震结构，然后对这3组模型分别进行模态分析、反应谱分析，经模态分析发现基础隔震和层间隔震结构的自振周期均得到了延长，周期的延长使得结构加速度反应降低了。

在反应谱分析中，基础和层间隔震结构在隔震层进行了大部分耗能，使得隔震层以上部分结构的层间位移和层间位移角减小，隔震层上部结构保持弹性工作状态。

因此，加了隔震层的钢结构可以提高抗震性能。

关键词：钢框架结构；隔震支座；模态分析；反应谱分析；抗震性能中图分类号：TU391文献标志码：A 文章编号：1671-4563（2021）05-022-04
Isolated Seismic Performance of Steel Structure Analysis Based on MIDAS/Gen
XU Feihong ，LI Cui
（Changsha University of Science and Technology
Changsha 410114，China ）
Abstract ：Based on MIDAS /Gen ，a group of finite element models are established.The first model is a 15-story steel frame structure ，which is the original structure ；In model 2，rubber bearings are added in the middle layer of the original structure to form a story isolation structure ；The third model is to add a base isolation layer between the original structure and the upper structure to form a base isolation struc ‐ture.Then ，modal analysis and response spectrum analysis are carried out for the three models.Through modal analysis ，it is found that the natural vibration periods of base isolated and story isolated structures are extended ，and the acceleration response of the structure is reduced.In the response spectrum analysis ，most of the energy consumption of the base and the story isolation structure in the isolation layer makes the story displacement and the story displacement angle of the part of the structure above the isolation layer reduce ，and the upper structure of the isolation layer keeps the elastic working state.Therefore ，the steel structure with isolation layer can improve the seismic performance.
Key words ：steel frame structure ；isolation bearing ；modal analysis ；response spectrum analysis ；seismic performance
表1结构荷载取值
Tab.1Structural Load Values
楼层
1~3层5~14层
15层屋面
恒载（DL ）/kN·m -2
644
活载（LL ）/kN·m -2
2.02.00.5
22
徐飞鸿，等：基于MIDAS/Gen 的隔震钢框架结构抗震性能分析MAY 2021Vol.28No.5
2021年5月第28卷第5期天然橡胶支座布置在中间后形成的支座平面布置如
图3所示。

铅芯橡胶支座LRB800共4个，均为角柱。

图3中未注明的支座均为LRB700，共28个。

天然橡胶支座NRB600共45个，图3中以粗线框圈出。

3
反应谱荷载工况设计
3.1
抗震设计参数
本商用建筑设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8（0.2g ），本项目属于抗震重点设防类（乙类建筑），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。

3.2反应谱荷载工况
本文考虑了X 、Y 两个方向的反应谱分析荷载工况，反应谱按《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》，结合场地条件和地震分组及地震烈度确定［8-10］。

地震反应谱曲线如图4所示。

4计算结果
4.1模态分析
4.1.1结构的自振周期
结构自振周期T 为结构系统按某一振型完成1次自由振动所需的往复时间，它只与结构自身质量m 以及刚度系数k 有关。

由MIDAS/Gen 特征值分析得出模型前10阶模态的自振周期，如表2所示。

将以上3组模型的自振周期进行两两对比，周期的提高率如表3所示。

由表3可知，对于结构前三阶振型，模型3（基础隔震）和模型2（层间隔震）相对图2采用MIDAS/Gen 软件建立的模型
Fig.2
Model Built with MIDAS/Gen Software
⒜模型1⒞
模型
3
⒝模型2图3支座平面布置
Fig.3Layout Plan of Support
①
②
③
④
⑤
⑥⑦⑧
⑨
⑩
Ⓐ
Ⓖ
Ⓕ
ⒺⒹⒸ
Ⓑ60000
6000
6000
6000
6000
6000
60006000600060006000
6000
6000600
060006000
6000
36000LR800
此粗线范围内支座均为NRB600
LR800
LR800
LR800
图4地震反应谱曲线
Fig.4
seismic Response Spectrum Curve
表2模型自振周期
Tab.2Natural Vibration Period of the
Model
表3自振周期提高率
Tab.3
Improvement Rate of Natural Vibration
Period
图1结构底层平面布置Fig.1Layout Plan of Structure Ground Floor （mm ）
①
②
③
④
⑤⑥⑦⑧
⑨
⑩
Ⓐ
Ⓖ
ⒻⒺⒹⒸ
Ⓑ60000
6000
6000
6000
60006000
60006000
600060006000
6000
6000600060006000
6000
36000
广东土木与建筑MAY 2021Vol.28No.5
2021年5月第28卷第5期于模型1（原结构）而言，结构的自振周期得到了明显延长，由结构加速度反应谱（见图5）可以看出，随着结构周期的延长，结构的加速度反应降低。

4.1.2
结构平扭特性
结构的平扭特性是结构侧向刚度与扭转刚度相对关系的一种体现。

它由结构的平动系数和扭转系数（MIDAS/GEN 中由参与振型的X /Y /RZ 三个方向的质量占质量的比列来计算）来判别。

同时，规范规定结构周期比不应大于0.9。

其计算公式如下：
周期比=结构扭转为主的第1周期T t
结构平动为主的第1周期T 1
≤0.9
模型1~模型3中前三阶振型呈现相同的平扭特性：第1阶振型均为Y 方向的平动，其平动系数分别为0.81、0.72、0.99。

第2阶振型均为X 方向的平动，其平动系数为0.82、0.60、0.99。

第3阶振型为绕Z 轴的扭转，其扭转系数为0.79、0.54、0.99。

其周期比均小于0.9，说明支座按结构周圈强中间弱的方式布置合理，有利于提高结构的安全性。

4.1.3结构的位移形状
结构的位移可通过位移云图表现出来，位移云图可以说明结构位移的走向。

模态分析时，它不是真实的位移数值，而是位移的相对趋势。

模型1~模型3的位移云图如图6所示。

由图6可知，右侧位移数值颜色与图中颜色一一对应，蓝色位移趋势最小，绿色和黄色其次，红色趋势最大。

顶部最大相对位移数值分别为11.4mm 、13.5mm 和8.9mm ，说明基底隔震的相对位移趋势最小，抗震
性能最好。

4.2反应谱分析
由MIDAS/GEN 后处理菜单输出结构EX 、EY 两个方向地震作用的层间位移角和层间位移，并整理成如表4所示。

由表4可知，模型3（基础隔震）和模型2（层间隔震）除开隔震层外（由于隔震层的层间位移发生较大的突变，隔震层表现为整体平动），层间位移角均未超过1/550的限值。

与原结构相比，基础隔震和层间隔震结构的层间位移有明显减小，且从隔震层往上开始层间位移减小幅度呈增大趋势。

5结果分析及结论
⑴通过对3组模型进行的模态分析，提取了3组模型的前10阶自振周期，并经计算分析得到，基础隔震和层间隔震结构对比原结构而言，自振周期提高率分别达到了210%和110%。

由结构加速度反应谱图可知，结构周期延长，加速度反应也随之降低。

同时，从3组模型的位移云图可以看出，基础隔震结构的顶部位移值也是最低的。

⑵通过对3组模型进行的反应谱分析，并提取结构的层间位移和层间位移角数据分析可得，基础隔震的顶部层间位移和层间位移角值在X 、Y 两个方向分别只占到原结构的38.14%和40.52%。

层间隔震的顶部层间位移和层间位移角值在X 、Y 两个方向分别占
图5结构加速度反应谱
Fig.5
Acceleration Response Spectrum of Structure
x =0.00
x =0.02x =0.05x =1.00
T /s
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
2520151050加速度反应谱S a /m ·s -2
图6位移云图
Fig.6Displacement Cloud
⒞模型3
⒝模型
2
⒜模型
1
24
徐飞鸿，等：基于MIDAS/Gen的隔震钢框架结构抗震性能分析MAY2021Vol.28No.5 2021年5月第28卷第5期
到原结构的66.10%和63.79%，基础隔震效果较明显。

因此，如果仅考虑结构局部楼层隔震或者有难以实施基础隔震的情况。

否则，应该优先选择抗震性能更高的基础隔震。

参考文献
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理，2018，31（6）：74-75.
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［9］朱秀云，潘蓉，朱京圣，等.研究堆构筑物抗震设计中的地震反应谱对比分析［J］.震灾防御技术，2018，13（4）：822-828.［10］蒋欢军，段延锋，王逸珂.基于场地特征周期的最小地震剪力系数研究［J］.建筑结构学报，2017，38（3）：39-45.
表4层间位移角和层间位移值
Tab.4Interlayer Displacement Angle and Value 模型1
楼层15F 14F
13F 12F 11F 10F 9F 8F 7F 6F 5F 4F 3F 2F 1F --层高
/m
3.3
3.3
3.3
3.3
3.3
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
4.5
4.5
4.5
--
层间位移角
EX
1/2793
1/2089
1/1755
1/1576
1/1472
1/1148
1/1037
1/980
1/942
1/919
1/906
1/891
1/689
1/697
1/818
--
EY
1/2852
1/2130
1/1776
1/1585
1/1472
1/1193
1/1073
1/1006
1/962
1/934
1/918
1/886
1/712
1/706
1/935
--
层间位移/mm
EX
1.18
1.58
1.88
2.09
2.24
2.61
2.89
3.06
3.18
3.27
3.31
3.37
6.53
6.46
5.50
--
EY
1.16
1.55
1.86
2.08
2.24
2.51
2.80
2.98
3.12
3.21
3.27
3.39
6.32
6.38
4.82
--
模型2
楼
层
15F
14F
13F
12F
11F
隔震层
10F
9F
8F
7F
6F
5F
4F
3F
2F
1F
层高
/m
3.3
3.3
3.3
3.3
3.3
--
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
4.5
4.5
4.5
层间位移角
EX
1/4210
1/3183
1/2612
1/2260
1/1849
--
1/1806
1/1541
1/1398
1/1308
1/1264
1/1249
1/1229
1/927
1/899
1/1023
EY
1/4444
1/3348
1/2729
1/2334
1/1933
--
1/1934
1/1633
1/1462
1/1358
1/1303
1/1276
1/1223
1/955
1/910
1/1168
层间位移/mm
EX
0.78
1.04
1.26
1.46
1.79
--
1.66
1.95
2.15
2.29
2.37
2.40
2.44
4.85
5.00
4.40
EY
0.74
0.99
1.21
1.41
1.71
--
1.55
1.84
2.05
2.21
2.30
2.35
2.45
4.71
4.94
3.85
模型3
楼
层
15F
14F
13F
12F
11F
10F
9F
8F
7F
6F
5F
4F
3F
2F
1F
--
层高
/m
3.3
3.3
3.3
3.3
3.3
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
4.5
4.5
4.5
--
层间位移角
EX
1/7267
1/5611
1/4649
1/4018
1/3443
1/2024
1/1787
1/1650
1/1539
1/1453
1/1388
1/1317
1/1023
1/753
1/68
--
EY
1/7088
1/5414
1/4489
1/3878
1/3258
1/2065
1/1800
1/1649
1/1533
1/1442
1/1372
1/1281
1/1024
1/682
1/113
--
层间位移/mm
EX
0.45
0.59
0.71
0.82
0.96
1.48
1.68
1.82
1.95
2.07
2.16
2.28
4.40
5.97
66.51
--
EY
0.47
0.61
0.74
0.85
1.01
1.45
1.67
1.82
1.96
2.08
2.19
2.34
4.39
6.60
39.81
--
25。