不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?

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建筑隔震設計標準》(征求意見稿)第4.7.1條規定:“隔震層下部結構的承載力驗算,應考慮上部結構傳來的軸力、彎矩、水平剪力以及由隔震層水平變形產生的附加彎矩,可按本標準附錄C規定計算”,第9.2.8條第2點規定:“隔震層支墩或支柱及相連構件,應采用隔震建筑在極限安全地震動作用下橡膠隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進行承載能力驗算。支墩或支柱設計應計入隔震層P-Δ效應產生的附加彎矩”。

C.0.1橡膠隔震支座水平變形后,隔震支墩及連接部位(圖C.0.1)的附加彎矩應按下式計算:

不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?
式中:M——隔震支墩及連接部位所受彎矩(kN·mm);
P——上部結構傳遞的豎向力(kN);
δ——支座的水平剪切變形(mm);
V——支座所受水平剪力(kN);

h——支座含連接板的總高度(mm)。

不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?

圖C.0.1 ?隔震支墩及連接部位變形示意圖

不考慮隔震支座的附加彎矩到底行不行

相信不少剛接觸減隔震結構設計的小伙伴會疑惑:在SAUSG-PI軟件中勾選了考慮幾何非線性,輸入了彎曲剛度,為什么還要計算附加彎矩呢?筆者用親身的數值試驗來告訴你,不考慮附加彎矩不行!

建立簡化模型如下圖1,支墩截面400mm*400mm,隔震支座采用SAUSG-PI軟件產品庫中L300G4型號,軸向剛度1.088e6KN/m,U2、U3方向初始剛度4810KN/m,屈服力22.5KN,屈服后剛度比0.1,彎曲剛度為1e6 KN*m/rad(對于本例需要設置隔震支座的彎曲剛度,否則相當于鉸接,將形成機構,導致分析失敗)。下支墩、隔震層和上支墩高度均為1m,上支墩頂部施加豎向荷載1000KN、水平荷載1000KN。靜力分析變形如下圖2。

不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?

圖1 ?隔震支座簡化模型

不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?

圖2 ?靜力加載變形

分別計算不考慮附加彎矩+不考慮幾何非線性、不考慮附加彎矩+考慮幾何非線性、考慮附加彎矩+不考慮幾何非線性、考慮附加彎矩+考慮幾何非線性四種工況。同時建立隔離體平衡方程,并根據實際節點位移計算各節點彎矩理論值,如下表1所示。

表1 ?各工況計算結果(單位:KN*m,m)
不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?

對比可見,只有工況4的結果與手算結果吻合,其他計算結果均存在不可忽略的偏差,為什么呢?

首先,查看上支墩底部彎矩,發現只有考慮幾何非線性的工況結果是正確的,說明勾選考慮幾何非線性后,SAUSG-PI軟件在變形后的構形上建立平衡方程,考慮了支墩的P-Δ效應。

其次,查看下支墩頂部彎矩,可以發現,沒考慮隔震支座附加彎矩的工況,隔震支座頂部的剪力無法形成隔震支座底部的彎矩,這是因為隔震支座剛度矩陣中剪切項和彎曲項不耦合造成的,而梁柱等結構構件的剛度矩陣中卻有耦合項,下圖為支墩和隔震支座單元剛度矩陣示意圖,其中紅色字體部分為彎剪耦合項。

不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?

圖3 ?支墩單元剛度矩陣

不考慮隔震支座的附加彎矩行不行?

圖4 ?隔震支座單元剛度矩陣

對比可見,支墩單元剛度矩陣比隔震支座單元剛度矩陣多了彎剪耦合項,因而可以計算出由剪力引起的彎矩。如果想直接通過有限元分析得出隔震支座中由剪力引起的彎矩,就需要定義這些彎剪耦合項,而這將增加用戶操作上的麻煩,SAUSG-PI軟件考慮到用戶操作便利性,提供了“考慮附加彎矩”選項,用戶勾選后,軟件自動根據《建筑隔震設計標準》(征求意見稿)附錄C.0.1條計算隔震支座的附加彎矩,疊加到支墩內力中,并計算出支墩在大震下的配筋。

因此,建議用戶直接勾選“考慮附加彎矩”選項進行非線性動力時程分析,這不僅省去了定義一般連接單元剛度矩陣中彎剪耦合項系數的麻煩,還能得到每個時刻隔震支座上下支墩真實的內力、變形及配筋,比分析完成后再手算支墩附加彎矩進行配筋更準確。

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