不同層隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震作用下動(dòng)力響應(yīng)分析

韓　淼, 張文會(huì), 朱愛東, 孫一林, 李進(jìn)波(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京　100044)

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不同層隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震作用下動(dòng)力響應(yīng)分析

韓淼, 張文會(huì), 朱愛東, 孫一林, 李進(jìn)波(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京100044)

摘要：選用天然橡膠支座(LNR)與鉛芯橡膠支座(LRB)作為兩棟8層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的隔震裝置，對(duì)其分別輸入172條近斷層地震波，計(jì)算隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)或以上每一層時(shí)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，分析近斷層地震動(dòng)對(duì)不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明：隔震結(jié)構(gòu)輸入能量小于非隔震結(jié)構(gòu)輸入能量，LRB隔震結(jié)構(gòu)的輸入能量小于LNR隔震結(jié)構(gòu)的輸入能量；隨著隔震層的上移，隔震支座位移減小，頂層最大加速度增大。近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)均存在相關(guān)性，但相關(guān)程度不同。隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的需求，同時(shí)考慮隔震層位置與地震動(dòng)特征參數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：近斷層地震動(dòng)；隔震結(jié)構(gòu)；橡膠支座；動(dòng)力響應(yīng)

近斷層地震動(dòng)是較為復(fù)雜的一種地面運(yùn)動(dòng)，它強(qiáng)烈依賴于斷層的破裂機(jī)制，具有顯著的方向性和滑沖效應(yīng)。近斷層地震動(dòng)不同于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，具體表現(xiàn)在破裂方向性效應(yīng)引起的速度大脈沖，地表破裂造成的地面永久位移，地震動(dòng)幅值隨斷層距的增加而不斷衰減的集中性效應(yīng)，明顯的豎向效應(yīng)和上下盤效應(yīng)等，這些特性均有可能增大結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)并加重地震災(zāi)害[1-3]。

隔震技術(shù)是一種新型抗震措施，主要是通過隔震裝置將建筑結(jié)構(gòu)與地面運(yùn)動(dòng)隔離開，減少地震能量向結(jié)構(gòu)上部的傳遞，進(jìn)而減小建筑物的地震響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生輕微的振動(dòng)或變形，從而使建筑物在地震作用下不發(fā)生損壞或倒塌，其減震效果明顯，性價(jià)比高且設(shè)計(jì)靈活[3-4]。隔震技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較快，美國(guó)、日本、新西蘭等多地震國(guó)家對(duì)隔震技術(shù)投入大量資源，取得了豐碩成果；隔震技術(shù)在我國(guó)也取得一定進(jìn)展，特別是2008年汶川地震發(fā)生后，隔震技術(shù)引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，2013年在蘆山地震中采用橡膠支座隔震技術(shù)的蘆山人民醫(yī)院保持完好，使得隔震研究與應(yīng)用再次成為關(guān)注熱點(diǎn)。

在隔震結(jié)構(gòu)中，疊層橡膠支座是應(yīng)用最多的隔震支座，按構(gòu)造不同可分為：天然橡膠支座(LNR)、鉛芯橡膠支座(LRB)和高阻尼橡膠支座(HDR)。隨著人們對(duì)近斷層地震動(dòng)研究的深入，發(fā)現(xiàn)隔震結(jié)構(gòu)遭遇近斷層地震動(dòng)具有不同于遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，而不同隔震支座在近斷層地震作用下的隔震性能亦不同。Yang等[5]對(duì)安裝兩種新型半主動(dòng)控制裝置的隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這兩種裝置對(duì)結(jié)構(gòu)具有很好的隔震效果。Mazza等[6]對(duì)HDR隔震結(jié)構(gòu)輸入近斷層地震記錄，研究其在水平地震和豎向地震作用下的隔震效果。分析表明水平向脈沖地震要求結(jié)構(gòu)具有很大的延性，尤其當(dāng)?shù)蛯咏ㄖ募羟袘?yīng)變達(dá)到最大時(shí)，隔震裝置可能發(fā)生破壞。

隔震裝置及隔震層位置的不同，將會(huì)使隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)不同。為研究不同隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下的影響，本文選用天然橡膠支座(LNR)與鉛芯橡膠支座(LRB)作為隔震裝置,對(duì)兩棟8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)輸入172條近斷層地震波，分別計(jì)算隔震裝置設(shè)置在基礎(chǔ)或以上每一層柱頂時(shí)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),分析不同層隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)選隔震參數(shù)與輸入地震動(dòng)提供參考。

1近斷層地震動(dòng)選取

根據(jù)近斷層地震定義，本文選取斷層距小于20 km，震級(jí)大于5.5級(jí)，峰值加速度大于0.1 g的全球20次地震中的172條地震記錄(見表1)作為近斷層地震動(dòng)輸入，選取的地震記錄來自美國(guó)太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

2有限元模型建立

采用SAP2000有限元軟件建立兩棟8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)分析模型(記為模型1，模型2)，平面尺寸為27.6 m14.7 m，總高27.3 m，主梁截面尺寸300 mm600 mm，次梁截面尺寸200 mm450 mm，柱截面尺寸700 mm700 mm。結(jié)構(gòu)布置見圖1，重力荷載代表值見表2?；炷敛捎肅30，梁柱鋼筋均采用HRB400。根據(jù)規(guī)范要求及支座選取原則，模型1的隔震裝置選用天然橡膠隔震支座(LNR500)20個(gè),模型2的隔震裝置選用鉛芯橡膠隔震支座(LRB500)20個(gè)，隔震支座安裝在圖1中的柱位置處，隔震支座參數(shù)見表3。分別將不同隔震支座設(shè)置在基礎(chǔ)或上部結(jié)構(gòu)每一層柱頂(見圖2)，隔震層高為300 mm。結(jié)構(gòu)模型分析得非隔震結(jié)構(gòu)自振周期T1=1.097 s，T2=1.010 s，T3=0.901 s。LNR500隔震結(jié)構(gòu)和LRB500隔震結(jié)構(gòu)的自振周期見表4。由表4可知，天然橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)基本自振周期大于鉛芯橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)基本自振周期；隨著隔震層位置的上移，隔震結(jié)構(gòu)自振周期減小，但均大于非隔震結(jié)構(gòu)自振周期。模態(tài)分析表明第一振型為沿結(jié)構(gòu)X方向,則地震動(dòng)的輸入方向取為X方向，即結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)邊方向。

表1　選用的近斷層地震記錄

圖1　結(jié)構(gòu)平面圖和3-D模型圖(單位：mm)Fig.1 Plan and3-D model of structure(unit：mm)

圖2　不同層隔震結(jié)構(gòu)(Y-Z立面圖)(部分)Fig.2 The parts ofdifferent story isolation structure(Y-Z elevation view of structure)

Tab.2 The gravity load representative value of each floor

表3　隔震支座參數(shù)

表4　隔震結(jié)構(gòu)的基本自振周期(s)

3近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)分析

選取近斷層地震動(dòng)的8個(gè)主要特征參數(shù)：斷層距、地面峰值加速度(PGA)、地面峰值速度(PGV)、地面峰值位移(PGD)、地面峰值速度與峰值加速度的比值(PGV/PGA)、地震持時(shí)(90%顯著持時(shí))、脈沖周期與結(jié)構(gòu)自振周期的比值(TP/T1)、輸入能,分析其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

3.1地震動(dòng)輸入能分析

影響地震動(dòng)輸入能量的主要因素為地震動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征，其中地震動(dòng)特征包括地震強(qiáng)度、頻譜和持時(shí)等，而結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征有質(zhì)量、剛度、阻尼等[7]。基于能量法的基本原理，水平地震作用在任一時(shí)刻的能量平衡方程[8]為：

Ei=Ev+Ec+Ed+Eh

(1)

式中，Ev為結(jié)構(gòu)的動(dòng)能；Ec為結(jié)構(gòu)的阻尼耗能；Ed為隔震支座耗能；Eh為隔震結(jié)構(gòu)的變形能；Ei為地震對(duì)結(jié)構(gòu)的輸入能。

通過對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)、不同層隔震結(jié)構(gòu)輸入172條近斷層地震動(dòng)，計(jì)算得到地震動(dòng)的平均輸入能量見圖3。由圖3可以看到：

(1) 隔震結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)輸入能量減少。三層隔震時(shí)隔震結(jié)構(gòu)輸入能量減少比例最大，LNR500隔震結(jié)構(gòu)減少37.2%，LRB500隔震結(jié)構(gòu)減少41.0%。

(2) LNR500隔震結(jié)構(gòu)的輸入能量大于LRB500隔震結(jié)構(gòu)的輸入能量。

(3) 隔震層由基礎(chǔ)上移到第三層，輸入能量減少；再由第四層上移到第七層，輸入能量增大。隔震層位于結(jié)構(gòu)中下部的隔震效果優(yōu)于結(jié)構(gòu)上部。

圖3　不同層隔震結(jié)構(gòu)的輸入能量對(duì)比Fig.3 The comparison of the input energy of different story isolation structure

3.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，可得到不同層隔震結(jié)構(gòu)在172條近斷層地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)，選取兩個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)(支座最大位移、頂層最大加速度)，并將其平均值繪于圖4，圖4中橫軸為隔震層位置。由圖4可以看到：

(1) 隨著隔震層位置升高，隔震支座最大位移減小；當(dāng)隔震層設(shè)置在七層柱頂時(shí)，由于鞭梢效應(yīng)，支座最大位移偏大。LRB500隔震結(jié)構(gòu)的支座最大位移小于LNR500隔震結(jié)構(gòu)的支座最大位移。

(2) 隨著隔震層位置升高，隔震結(jié)構(gòu)頂層最大加速度增大；LRB500隔震結(jié)構(gòu)與LNR500隔震結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度相差不大。當(dāng)隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)三層及以下部位時(shí)，LRB500隔震結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度稍大于LNR500隔震結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度；當(dāng)隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)三層以上部位時(shí)，LRB500隔震結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度略小于LNR500隔震結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度。

圖4　不同隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)Fig.4 The dynamic response of different isolation structure

3.3近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)相關(guān)性分析

不同的地震動(dòng)輸入得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)不同，為比選出與不同隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)相關(guān)性強(qiáng)的地震動(dòng)特征參數(shù)，對(duì)近斷層地震動(dòng)的8個(gè)特征參數(shù)與不同隔震結(jié)構(gòu)的2個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件計(jì)算變量間的相關(guān)系數(shù)，通過Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)求解，可得8個(gè)近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)的2個(gè)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)取絕對(duì)值，當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0時(shí)，表示完全不相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在(0,0.3]內(nèi)時(shí)，表示微弱相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在(0.3,0.5]內(nèi)時(shí)，表示低度相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在(0.5,0.8]內(nèi)時(shí)，表示顯著相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在(0.8,1)內(nèi)時(shí)，表示高度相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)等于1時(shí)，表示完全相關(guān)[9]。

表5給出了近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的范圍，圖5為近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的變化趨勢(shì)，從表5和圖5中可以得到，近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)均存在相關(guān)性，但相關(guān)程度不同。具體情況分析如下：

(1) 輸入能、PGV與不同層隔震結(jié)構(gòu)的支座最大位移、頂層最大加速度的相關(guān)性較強(qiáng)，為顯著相關(guān)到高度相關(guān)。

(2) PGA與隔震結(jié)構(gòu)支座最大位移的相關(guān)程度隨隔震層位置升高由微弱相關(guān)變?yōu)轱@著相關(guān)；與LNR500隔震結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度因隔震層位置不同為低度相關(guān)到顯著相關(guān)，與LRB500隔震結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度為顯著相關(guān)。這可能是因?yàn)長(zhǎng)RB500隔震結(jié)構(gòu)中鉛芯阻尼的影響。

表5　近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值

圖5　近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)性對(duì)比Fig.5 Comparison of the correlation coefficient between characteristics of near-fault ground motion parameters and seismic responses of the different isolation structure

(3) 斷層距與LNR500隔震結(jié)構(gòu)的支座最大位移、頂層最大加速度的相關(guān)程度為低度相關(guān)到顯著相關(guān)，與LRB500隔震結(jié)構(gòu)的相關(guān)程度為顯著相關(guān)。

(4)TP/T1>1時(shí)，TP/T1與隔震結(jié)構(gòu)的支座最大位移、頂層最大加速度的相關(guān)程度為低度相關(guān)到顯著相關(guān)；TP/T1<1時(shí)，TP/T1與隔震結(jié)構(gòu)的支座最大位移、頂層最大加速度的相關(guān)程度為低度相關(guān)。

(5) PGD對(duì)隔震結(jié)構(gòu)支座位移影響最大，隨隔震層位置升高，與LNR500隔震結(jié)構(gòu)支座最大位移相關(guān)程度由高度相關(guān)變?yōu)榈投认嚓P(guān)，與LRB500隔震結(jié)構(gòu)支座最大位移相關(guān)程度由顯著相關(guān)變?yōu)榈投认嚓P(guān)；PGD與LNR500隔震結(jié)構(gòu)頂層最大加速度相關(guān)程度為微弱相關(guān)到顯著相關(guān)，與LRB500隔震結(jié)構(gòu)頂層最大加速度相關(guān)程度為低度相關(guān)。

(6) PGV/PGA與隔震結(jié)構(gòu)支座最大位移相關(guān)程度隨隔震層位置升高由顯著相關(guān)變?yōu)槲⑷跸嚓P(guān)；與LNR500隔震結(jié)構(gòu)頂層最大加速度相關(guān)性為微弱相關(guān)到顯著相關(guān)，與LRB500隔震結(jié)構(gòu)相關(guān)程度為微弱相關(guān)。

(7) 地震持時(shí)與隔震結(jié)構(gòu)支座最大位移、頂層最大加速度的相關(guān)程度為微弱相關(guān)。

從圖5中可看到，對(duì)兩種隔震支座的中下部隔震結(jié)構(gòu)，PGD、PGV/PGA與隔震支座最大位移的相關(guān)性高于PGA。對(duì)于LRB500隔震結(jié)構(gòu)，PGA與頂層最大加速度的相關(guān)性高于PGD、PGV/PGA。

4結(jié)論

對(duì)采用兩種隔震支座的不同層隔震結(jié)構(gòu)，分析其在近斷層地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1) 隔震結(jié)構(gòu)輸入能量小于非隔震結(jié)構(gòu)輸入能量，鉛芯橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)輸入能量小于天然橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)的輸入能量。

(2) 隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)中下部位的減震效果優(yōu)于設(shè)置在結(jié)構(gòu)中上部位。

(3) 隨著隔震層位置升高，隔震支座最大位移減小，結(jié)構(gòu)頂層最大加速度增大。

(4) 近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)均存在相關(guān)性，但相關(guān)程度不同。其中，輸入能、PGV與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)相關(guān)性顯著，地震持時(shí)與不同層隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)相關(guān)性微弱。

(5) 隔震層位置和隔震裝置不同，近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)性程度亦不同。隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的需求，同時(shí)考慮隔震參數(shù)與地震動(dòng)特征參數(shù)的影響。

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Dynamic response analysis for multi-story structures with different isolation stories under near-fault ground motions

HANMiao,ZHANGWen-hui,ZHUAi-dong,SUNYi-lin,LIJin-bo(School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

Abstract:The dynamic responses of two 8-story RC frame structures with isolators under near-fault ground motions were studied when the isolation layer was set on the base or each story. The natural rubber bearings (NRB) or lead-rubber bearings (LRB) were taken as isolators. 172 near-fault seismic wave records were input in structures, respectively. The effects of near-fault ground motions on multi-story structures with different isolation stories were analyzed. The results showed that the input energy of an isolation structure is less than that of a non-isolation structure; the input energy of a LRB isolation structure is less than that of a NRB isolation structure; the displacement of isolation bearing decreases and the maximum acceleration of the top-story increases with lifting the isolation layer; the characteristic parameters of near-fault ground motions are all correlated with the dynamic response parameters of isolation structures, but the levels of correlation are different; the isolated structures need to be designed in terms of the requirements for structure dynamic responses, meanwhile the position of isolation layer and the influence of seismic characteristic parameters should be considered.

Key words:near-fault ground motion; isolation structure; rubber bearing; dynamic response

中圖分類號(hào):Tu352.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.019

收稿日期：2014-12-30修改稿收到日期：2015-03-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51378047)

第一作者 韓淼 男，博士，教授，1969年生