軟夾層地基上多層隔震結構模型振動臺試驗研究

于　旭, 莊海洋, 朱　超, 陳　蘇

(1.南京工程學院 建筑工程學院, 南京　211167; 2.南京工業(yè)大學 交通學院, 南京　210009)

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軟夾層地基上多層隔震結構模型振動臺試驗研究

于旭1,2, 莊海洋2, 朱超2, 陳蘇2

(1.南京工程學院 建筑工程學院, 南京211167; 2.南京工業(yè)大學 交通學院, 南京210009)

隔震結構作為有效、經濟和現實可行的結構抗震新技術已得到廣泛應用。實際工程中隔震結構有可能建于軟弱地基上，而強地震動作用下軟弱地基上隔震結構基底地震動出現長周期化的同時，土與結構動力相互作用(Soil-Structure Interaction,SSI)對隔震結構的動力特性、地震響應等可能產生相當大的影響[1]。因此，基于軟弱地基土-隔震結構相互作用的振動臺試驗，深入研究軟弱地基上隔震結構體系的動力反應特征，探討SSI效應對軟弱地基上隔震結構體系的影響機理及其規(guī)律尤為重要，這對于完善軟弱地基上隔震結構的抗震設計理論具有十分重要的意義。

目前，軟弱地基上考慮SSI效應隔震結構抗震性能的研究主要以數值分析為主，并取得了一定的成果[2-5]，但數值分析方法都進行了假設和簡化，研究成果缺乏實測數據及模型試驗的驗證。近年來，國內學者相繼開展了不同場地條件、不同上部結構的隔震結構振動臺模型試驗的開拓性研究，宰金珉和于旭等進行了考慮SSI效應的鉛芯橡膠支座隔震結構振動臺模型試驗[6]，試驗結果表明：考慮SSI效應時隔震結構的隔震效果較剛性地基時降低。李昌平和劉偉慶等進行了軟土地基上高層隔震結構模型振動臺試驗研究[7]，研究軟土地基上高層隔震結構的地震反應特性和隔震效果，其隔震結構的高寬比為大高寬比(高寬比為4.1)，而現行《建筑抗震設計規(guī)范》要求隔震結構宜為小高寬比結構(高寬比小于4.0)，因此軟弱地基上小高寬比隔震結構的抗震性能應進行專門研究。

在充分吸取現有振動臺試驗和理論研究成果對隔震結構地震災變機理的認識的基礎上，從場地條件、模型結構材料、輸入地震動特性等方面考慮，同時考慮《建筑抗震設計規(guī)范》對隔震結構高寬比的要求，筆者設計了軟夾層地基上多層隔震結構大型振動臺模型試驗方案，并與筆者已完成的剛性地基上隔震結構模型振動臺試驗的結果[8]進行了對比分析，總結了軟夾層地基上隔震結構體系的動力特性、地震波傳遞的特性、基礎及隔震層的轉動效應、上部結構加速度反應及位移反應等。

1試驗概況

1.1相似比設計

在土-結構動力相互作用的振動臺模型試驗中需研究多介質耦合作用體系的相似比確定方法，根據試驗目的，考慮土-隔震結構體系主要參數的相似性，本文選取模型的幾何長度、彈性模量和加速度為基本物理量，根據Bukingham定理,導出其他物理量的相似比，試驗的相似比設計參見文獻[9]。

1.2試驗加載方法

試驗采用單向激振，選用地震波為 El Centro波、Kobe波、南京人工波3條地震波。試驗中輸入地震動的時間步長根據時間相似比1∶4.47進行了調整，試驗加載方案及臺面輸入峰值加速度峰值取值如表 1 所示。

表1　試驗加載工況

1.3模型土與模型結構

以實際房屋為原型，同時兼顧施工方便，隔震結構模型的上部結構采用4層鋼框架體系，激振方向模型高寬比為2.625，隔震支座采用直徑為100 mm的鉛芯橡膠支座，為模擬樓層荷載，隔震結構每層設配重箱，鋼框架模型尺寸、樓層配重量及隔震支座基本參數同剛性地基上鉛芯橡膠支座隔震鋼框架模型，詳見文獻[8]。

模型土采用3層分層土，總厚度130 cm，頂部覆蓋層為含水量為8.2%～9.0%的干砂土，厚度30 cm，密度為1 760 kg/m3，中部土層為含水量27.2%～30.0%的黏土，厚度40 cm，密度為1 933 kg/m3，底部土層為含水量26.2%～27.0%的飽和密實砂土，厚度60 cm，密度為1 920 kg/m3，分層土形成“軟夾層地基”。模型土的制備主要控制含水率和密實度，采用水沉法制備模型土，人工分層填裝。試驗加載前采用SDMT波速檢測儀測定土層平均剪切波速約為35～40 m/ s，模型土滿足模擬軟弱地基的試驗要求。模型土箱采用南京工業(yè)大學巖土工程研究所研制的層狀剪切變形土箱[10]，該土箱可有效減小模型土層有限邊界的影響。模型基礎采用2×3群樁基礎，樁承臺尺寸為1 200 mm×1 000 mm×100 mm，樁截面尺寸為35 mm×35 mm。模型體系如圖1所示，模型體系的試驗圖片如圖2所示。

圖1　模型體系布置及測點布置圖Fig.1 Sketch of model system arrangement and measuring point arrangement

圖2　模型體系試驗圖片Fig.2 Photo of test model

1.4測點布置與測量方式

試驗中測試模型結構的加速度及水平位移、隔震支座的壓力及水平力，模型地基土的加速度、模型基礎承臺豎向加速度分量、水平向加速度分量、樁土界面的接觸壓力及樁身應變。傳感器布置如圖1所示，圖中A1～A17為水平加速度計，V1～V4為豎向加速度計，S1～S5為位移計，采用標靶測試法[11]測試模型結構和模型箱的剪切變形，t1～t3為土壓力計，E1～E8為應變片。

2試驗結果與分析

2.1模型體系的動力特性

試驗前后，采用幅值為0.05 g的白噪聲掃描，得到模型結構體系的一階自振頻率和阻尼比，如表2所示，表中阻尼比采用改進的半功率點法計算[12]，剛性地基上隔震結構的試驗結果亦按此方法進行修正。與剛性地基上隔震結構的一階自振頻率和阻尼比相比，軟夾層地基上隔震結構的動力特性有較大改變。綜合來看主要有以下規(guī)律：① SSI效應使隔震結構的一階自振頻率較剛性地基時降低，降幅為9.5%，而隔震結構的阻尼比較剛性地基時顯著增加，增幅為78.3%。② 試驗前后模型結構體系動力特性參數并不相同，剛性地基上隔震結構動力特性參數變化較小，其一階自振頻率基本不變，阻尼比有略微增大。然而，軟夾層地基上隔震結構動力特性參數的變化較大，其一階自振頻率顯著降低，模型體系的阻尼比也明顯增大。

進一步將上述模型動力特性的試驗結果與文獻[7]相比，可以發(fā)現，由于軟弱地基土剛度和隔震結構高寬比的差異，軟弱地基上SSI效應對大高寬比隔震結構動力特性參數的影響幅度與本文軟夾層地基SSI效應對小高寬比隔震結構動力特性參數的影響幅度并不相同，其中軟弱地基上大高寬比隔震結構的阻尼比較剛性地基時增加了36%，且試驗前后模型動力特性參數變化不明顯。與文獻[7]對比分析表明：軟弱地基上SSI效應對隔震結構動力特性的影響與地基土剛度和隔震結構高寬比密切相關。

表2　模型結構的一階自振頻率和阻尼比

圖3 土中不同測點處加速度峰值放大系數 Fig.3Amplificationfactorofaccelerationamplitudeatdifferentmeasuringpointonsoillayer圖4 土中不同深度測點處加速度反應譜的比較Fig.4Comparisonofaccelerationresponsespectrumforvariousdepthsofmeasuringpoint

2.2模型地基地震反應特征

試驗中在軟夾層地基中布置了加速度傳感器，量測地基不同土層內加速度反應，圖3為土中不同測點深度處加速度峰值放大系數(圖中字母及數字代表試驗工況)。從圖3可以看出，軟夾層地基對地震動的峰值加速度起明顯的削弱作用。對于底部飽和密實砂土層，在輸入工況加速度峰值較小時，土層對土中加速度反應起動力放大效應，但隨輸入工況加速度峰值增大，土層的動力放大效應不斷減弱。然而，地基中間軟弱黏土層使土中加速度反應峰值降低，對峰值加速度起減振作用。對于頂部砂土層，對峰值加速度又起到放大效應，且隨輸入工況加速度峰值的增大，土體的加速度峰值放大系數減小。上述模型地基地震反應的試驗結果與薄景山等人關于軟夾層場地地震反應的研究結果基本吻合[13]。

圖4(a)為工況JTEL1時土中不同深度測點處加速度反應譜動力系數β譜的比較，其中A6為振動臺臺面測點，A15、A14、A12為土層中在同一垂直線上自下而上不同高度的土中測點。從加速度反應譜可以看出，臺面A6測點的地震動通過分層地基土層后，土層中各測點的反應譜(β譜)值隨地基土性的變化而變化，從A6到A15測點，加速度反應譜在0.03 s～0.05 s周期部分反應譜值變大，在0.12 s～0.28 s周期部分反應譜值顯著減小，從A15到A14測點，加速度反應譜在0.10 s～0.23 s周期部分反應譜值明顯變大，在0.03 s～0.06 s周期部分反應譜值降低，從A14到A12測點，加速度反應譜在0.03 s～0.05 s周期部分反應譜值明顯變大，在0.12 s～0.26 s周期部分反應譜值降低。圖4(b)對應的試驗工況JTEL3中也有類似現象。上述分析表明頂部和底部的砂土層使地震動的高頻分量獲得加強，而軟弱黏土層則濾掉了部分高頻分量，使部分低頻分量獲得加強。

2.3隔震結構加速度反應及隔震效果分析

“樓層加速度峰值放大系數”是指：樓層峰值加速度與隔震結構基底輸入加速度峰值之比，是反應上部結構樓層加速度反應峰值放大或縮小程度的一個系數。由于地震時隔震結構的隔震層耗散了大量的地震能量，僅少部分能量傳到上部結構，上部結構的地震反應基本處于彈性狀態(tài)[1]，為對比剛性地基與軟夾層地基上隔震結構的樓層加速度峰值放大系數，本文軟夾層地基上隔震結構樓層加速度峰值放大系數根據試驗實測的數據采用插值法計算得到，使其對應的模型基底加速度峰值(PGA)分別為0.1 g、0.2 g、0.3 g，使隔震結構在軟夾層地基與剛性地基上具有等效的基底加速度峰值[14]，圖5為軟夾層地基與剛性地基上隔震結構樓層加速度放大系數的對比，圖中層號0代表模型基底。

圖5　軟夾層地基與剛性地基上隔震結構樓層加速度峰值放大系數對比Fig.5 Comparison of Amplification factor of floor acceleration amplitude for isolated structure on softer interlayer ground and rigid foundation

由圖5可以看出，由于SSI效應的影響軟夾層地基上隔震結構樓層峰值加速度放大系數與剛性地基時差異較大，具體表現為：Elcentro波激振時樓層加速度峰值放大系數較剛性地基時明顯增大，kobe波激振時樓層加速度峰值放大系數在大震(PGA=0.3 g)時較剛性地基時增大，而小震(PGA=0.1 g)時其值小于剛性地基時的樓層加速度峰值放大系數；南京人工波激振時樓層加速度峰值放大系數較剛性地基時略有增加。上述分析表明：軟夾層地基上SSI效應可增大也可減小隔震結構的地震反應。

進一步分析圖5可以看出，剛性地基上隔震結構樓層加速度峰值放大系數隨PGA的增大而減小，即輸入地震動峰值越大，隔震效果越好； 而軟夾層地基上隔震結構的隔震效果與剛性地基時差異較大，主要表現為：南京人工波激振時樓層加速度峰值放大系數隨PGA的增大而減小，隔震結構的隔震效果與剛性地基時相似；而Elcentro波和kobe波激振時，樓層加速度峰值放大系數隨PGA的增大而增大，即輸入地震動峰值越大，隔震效果越差，表明軟夾層地基上隔震結構的隔震效果降低。上述分析表明：軟夾層地基上輸入地震動的類型和峰值對隔震結構的隔震效果有較大影響。上述影響規(guī)律與參考文獻[7]中軟土地基上高層隔震結構隔震效果的影響規(guī)律并不相同。

2.4位移反應

圖6給出了軟夾層地基和剛性地基上隔震結構的最大層間位移，其中樓層位置0代表隔震層。由圖6可以看出，剛性地基與軟夾層地基上隔震結構最大層間位移的分布特性相似，均呈現出底部隔震層層間位移較大，而上部其他層層間位移較小的特點。但由于SSI效應的影響，兩種地基上隔震結構最大層間位移反應并不相同，與輸入地震動的特性有關。Elcentro波和kobe波大震(PGA=0.3 g)作用時軟夾層地基上隔震結構最大層間位移反應較剛性地基時明顯增大，其中隔震層位移增幅最為顯著，而南京人工波大震作用時兩種地基上隔震結構最大層間位移反應相近。Elcentro波和南京人工波小震(PGA=0.1 g)時軟夾層地基上隔震結構最大層間位移反應較剛性地基時小幅增大，而 kobe波小震時軟夾層地基上隔震結構最大層間位移反應較剛性地基時減小。

圖6　軟夾層地基與剛性地基上隔震結構最大層間位移對比Fig.6 Comparison of maximal interlayer displacements of isolated structure on softer interlayer ground and rigid foundation

2.5基礎及隔震層的轉動效應

(1)

(2)

表3　軟夾層地基上基礎及隔震層轉動角加速度峰值

由表3可以看出，軟夾層地基上隔震結構基礎轉動角加速度峰值為0.347～1.129 rad/s-2，由文獻[6]可知，砂土地基上隔震結構基礎轉動角加速度峰值為0.062～0.355 rad/s-2，剛性地基上基礎轉動角加速度峰值很小可忽略不計。表明地基土性越軟，隔震結構基礎轉動效應越明顯。

由表3可以看出，隔震層對基礎轉動角加速度反應有一定的放大效應。Elcentro波和kobe波輸入時隔震層與基礎轉動角加速度峰值的比值隨PGA的增大而增大，即輸入地震動峰值越大，隔震層轉動效應越明顯，其中以Elcentro波輸入時最為明顯。而南京人工波輸入時隔震層與基礎轉動角加速度峰值的比值隨PGA的增大而減小，即輸入地震動峰值增大，隔震層轉動效應減弱，在地震動輸入加速度峰值0.3g時甚至出現“減振”現象。上述現象表明不同地震動激振下，隔震層的放大效應并不相同，與輸入地震動的特性相關。

通過分析圖7和圖8可知，工況JTEL2和工況JTNJ2輸入的地震動峰值相同，但相應的基礎轉動角加速度頻譜特性并不相同，工況JTEL2時基礎轉動角加速度反應的主頻范圍在9~11.7 Hz，頻譜范圍涉及中低頻段；而工況JTNJ2時基礎轉動角加速度反應的主頻范圍兩個頻段，即：11.2~13.9 Hz和27.9~29.8 Hz，頻譜范圍涉及中高頻段。基礎轉動角加速度反應經隔震層傳播后，隔震層轉動角加速度反應的傅氏譜值有明顯變化，工況JTEL2時隔震層的傅氏譜在低頻段6.9~7.5 Hz 、1.5~1.8 Hz 范圍內譜值明顯增大，其最大增幅達到60.2%，對應的隔震層與基礎轉動角加速度峰值的比值為1.52，而工況JTNJ2時隔震層的傅氏譜在頻段7.0~7.5 Hz 、1.6~1.8 Hz和24.7~26.4 Hz范圍內譜值增大，其最大增幅為32.5%，對應的隔震層與基礎轉動角加速度峰值的比值為1.2。上述分析表明：①隔震層的放大效應與基礎轉動角加速度反應的頻譜特性相關，隔震層對以中低頻分量為主的基礎轉動角加速度反應放大效應明顯，而對以中高頻分量為主的基礎轉動角加速度反應放大效應降低。②相對于基礎轉動角加速度反應的頻譜組成，隔震層轉動角加速度反應頻譜組成的高頻分量減弱，中低頻分量明顯加強，頻譜組成向低頻轉變。

與2.3節(jié)分析結果相吻合的是：Elcentro波和kobe波激振時隔震層對基礎轉動角加速度的放大效應隨PGA的增大而增大；而南京人工波激振時隔震層對基礎轉動角加速度的放大效應隨PGA的增大而減小。綜合以上分析表明：隔震層轉動效應顯著時，隔震結構樓層加速度峰值放大系數增大，隔震效果降低，而隔震層轉動效應減弱時，樓層加速度峰值放大系數與剛性地基時相似，隔震效果較好。

圖7　基礎與隔震層轉動角加速度傅氏譜比較(工況JTEL2)Fig.7 Comparison of Fourier spectrum of rotational acceleration of foundation and isolated layer(test condition JTEL2)

圖8　基礎與隔震層轉動角加速度傅氏譜比較(工況JTNJ2)Fig.8 Comparison of Fourier spectrum of rotational acceleration of foundation and isolated layer(test condition JTNJ2)

3結論

通過軟夾層地基上隔震結構大型振動臺模型試驗，分析軟夾層地基上隔震結構體系的動力特性，研究軟夾層地基地震反應特性、基礎及隔震層的轉動效應、上部隔震結構加速度反應及位移反應等，得到的主要結論有：

(1) 軟夾層地基上SSI效應使隔震結構的一階自振頻率較剛性地基時降低，而阻尼比較剛性地基時顯著增加，其影響幅度與地基土剛度和隔震結構高寬比密切相關。

(2) 軟夾層地基對地震動輸入起明顯的削弱作用。

(3) 軟夾層地基上隔震結構基礎轉動效應明顯。隔震層對基礎轉動角加速度反應具有濾波和一定的放大效應，隔震層的放大效應與輸入地震動的類型及基礎轉動角加速度反應的頻譜特性相關。

(4) 軟夾層地基上SSI效應可增大也可減小隔震結構的地震反應。當隔震層轉動效應顯著時，隔震結構樓層加速度峰值放大系數增大，隔震效果降低，而隔震層轉動效應減弱時，樓層加速度峰值放大系數與剛性地基時相似，隔震效果較好。

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第一作者 于旭 男，博士，副教授，1977年3月生

摘要：基于軟夾層地基和剛性地基上多層隔震結構體系地震反應的振動臺模型試驗，研究軟夾層地基上隔震結構體系的動力特性、地基地震反應特性、上部結構加速度反應特征，分析基礎與隔震層的轉動效應及其對隔震效果的影響。試驗結果表明：軟夾層地基對地震動輸入起明顯的削弱作用；軟夾層地基上SSI效應對隔震結構動力特性影響較大， SSI效應降低了隔震結構體系的一階自振頻率，顯著增大了體系的阻尼比；軟夾層地基上SSI效應使隔震結構基礎及隔震層產生轉動反應，隔震層對基礎轉動角加速度反應有一定的放大作用，與輸入地震動的特性有關； 軟夾層地基上SSI效應可增大也可能減小隔震結構上部結構的地震反應，隔震效果與隔震層轉動效應的強弱密切相關，隔震層轉動效應顯著時，隔震結構樓層加速度峰值放大系數增大，隔震效果降低，而隔震層轉動效應減弱時，樓層加速度峰值放大系數與剛性地基時相似，隔震效果較好。

關鍵詞：隔震結構；振動臺模型試驗；土-結構相互作用；動力特性；地震反應

Shaking table tests on the modal of a multi-story isolated structure on the ground with softer interlayer

YUXu1,2,ZHUANGHai-yang2,ZHUChao2,CHENSu2(1. Department of Civil Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China;2. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009,China)

Abstract:Based on shaking table tests on the model of a multi-story isolated structure on the ground with softer interlayer, the dynamic characteristics of the structure and the seismic behaviors of the ground were studied. The superstructure acceleration responses and turning effects of foundation and isolation layer were analyzed. The turning effects on the isolation effectiveness were investigated. The test results show that the ground motion is obviously weakened due to softer interlayer, soil-structure interaction (SSI) is of signifigant effect on dynamic characteristics of the isolated structure on softer interlayer ground. Its first order natural frequency is reduced and the damping ratio is increased. The turning effects of foundation and isolation layer can be induced on the softer interlayer ground by SSI. The isolation layer can amplify the rotational acceleration response of foundation, depending on the type of the input earthquake motion. SSI can increase or decrease the seismic response of isolated structure on softer interlayer ground. The isolation effectiveness is closely related to the intensity of turning effects of isolation layer. When the turning effects of isolation layer is enhanced, the amplification factors of floor acceleration amplitudes of the isolated structure are increased, and the isolation effectiveness is reduced. When the turning effects of isolation layer are weakened, the amplification factors of floor acceleration amplitudes of the isolated structure are similar to those in the case of a rigid ground, and the isolation effectiveness is rather good.

Key words:isolated structure; shaking table model test; soil- structure interaction; dynamic characteristics; seismic response

中圖分類號:TU311

文獻標志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.018

通信作者莊海洋 男，博士，教授，1978年2月生

收稿日期：2014-08-14修改稿收到日期：2014-12-18

基金項目：江蘇省自然科學基金青年基金資助項目(BK2012477);住房與城鄉(xiāng)建設部基金資助項目(2013-K3-1)