基于長周期作用的大底盤基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

王林建，李飛燕，劉 靜，吳應(yīng)雄

(1.云南省地震工程研究院， 云南 昆明 650000； 2.廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院 土木工程系, 福建 漳州 363105；3.福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350000； 4.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)延長了結(jié)構(gòu)自振周期，減小了輸入上部結(jié)構(gòu)的地震作用[1-4]。目前針對隔震理論的研究大多基于普通地震動，我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](GB 50011—2010)(以下簡稱《抗規(guī)》)中的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜主要依據(jù)也是短周期分量為主的普通地震動，忽略長周期地震動的影響。然而，在汶川地震與東日本大地震中，許多高層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)劇烈晃動的現(xiàn)象[2-3]，災(zāi)后調(diào)查表明由于此類結(jié)構(gòu)自振周期較長，與地震動長周期分量產(chǎn)生類共振效應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

已有學(xué)者針對隔震結(jié)構(gòu)在長周期地震動下的動力響應(yīng)及減震效果開展研究。王亞楠等[7-8]對隔震模型進(jìn)行數(shù)值分析，表明遠(yuǎn)場長周期地震動下隔震結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)明顯大于遠(yuǎn)場普通地震動。葉昆[9]對近場脈沖地震動與普通地震動作用下隔震結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)近斷層脈沖型地震下的隔震層最大位移和頂層最大加速度增大。吳應(yīng)雄等[10]進(jìn)行長周期地震動下隔震結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)，結(jié)果表明遠(yuǎn)場長周期地震動下隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)明顯大于普通地震動；近場脈沖長周期地震動下結(jié)構(gòu)的減震效果較差，隔震層位移大于容許值。上述研究均表明隔震結(jié)構(gòu)在長周期地震動下將產(chǎn)生較大地震響應(yīng)或發(fā)生類共振破壞。大底盤結(jié)構(gòu)由于上部體型收進(jìn)剛度突變，塔樓質(zhì)心與大底盤質(zhì)心偏離，塔樓在剛度突變處引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)遠(yuǎn)大于大底盤自身。新發(fā)展的隔震技術(shù)，可以降低結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并提高結(jié)構(gòu)安全。在大底盤隔震結(jié)構(gòu)理論研究方面，江宜城等[11]以偏心隔震結(jié)構(gòu)為對象，研究表明了隔震結(jié)構(gòu)可以降低上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)。趙楠等[12]、杜永峰等[13]探討多塔基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能，分析地震動下的結(jié)構(gòu)層間位移、剪力和位移角等參數(shù)。結(jié)果表明，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減震效果良好，能有效抑制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。在試驗(yàn)研究方面，李誠凱等[14]對大底盤單塔樓隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，結(jié)果表明，大底盤單塔樓基礎(chǔ)隔震的減震效果良好。

上述已有的研究基本掌握了長周期地震動下規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和減震效果，但是對于不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)的研究較少。本文收集了273條地震動信息并進(jìn)行濾波處理，篩選了近場普通、近場脈沖、遠(yuǎn)場普通和遠(yuǎn)場諧和4類地震動共12條，在大底盤基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立有限元模型，分別進(jìn)行隔震和抗震模型在雙向地震動下的時(shí)程分析，通過對比頂層加速度、層間剪力、層間位移角等指標(biāo)，探究隔震結(jié)構(gòu)在長周期地震動下的減震效果，分析長周期地震動下隔震結(jié)構(gòu)的平-扭耦合效應(yīng)。

1 地震動選取

從PEER強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫中獲取273條地震動記錄，主要來自Chi-Chi地震、Landers地震、Northridge地震和Kobe地震這四個(gè)場地。參考文獻(xiàn)[15-16]結(jié)論，選取地震動每類各3條，分別是：近場普通地震動、近場脈沖地震動、遠(yuǎn)場普通地震動及遠(yuǎn)場諧和地震動。將近場地震動加速度峰值調(diào)幅至200 gal，遠(yuǎn)場地震動加速度峰值調(diào)幅至100 gal。選用的地震動信息如表1所示。

表1 地震動信息

2 大底盤隔震結(jié)構(gòu)動力分析模型

采用層間串聯(lián)剛片模型來模擬大底盤基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，分析模型見圖1。結(jié)構(gòu)各層樓板假定為剛性，地震動作用為雙向水平。

結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程可寫為：

(1)

C=C0+Cd

(2)

式中：C0為上部結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣；Cd為隔震層的附加阻尼。

圖1大底盤結(jié)構(gòu)分析模型

3 隔震分析模型和合理性驗(yàn)證

3.1 隔震分析模型

選取一個(gè)典型的塔樓偏置的大底盤結(jié)構(gòu)，其大底盤長向?yàn)?跨，短向?yàn)?跨，4層，層高為4.9 m；塔樓長向?yàn)?跨，短向?yàn)?跨，8層，層高為3.5 m，柱網(wǎng)尺寸如圖2所示，總高度為47.6 m。主要設(shè)計(jì)信息有：設(shè)防烈度8度(0.2g)，場地類別Ⅱ類，特征周期0.35 s，各樓層樓面恒荷載3.5 kN/m2，活荷載2.5 kN/m2；主要框架柱尺寸700 mm×700 mm(大底盤)，500 mm×500 mm(塔樓)；框架梁300 mm×700 mm；混凝土強(qiáng)度等級C35；隔震層樓板厚度160 mm，其余為120 mm。

圖2典型結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)平面圖

為了延續(xù)作者所在課題組對大底盤隔震結(jié)構(gòu)的研究，后期將進(jìn)行模擬振動臺試驗(yàn)，受振動臺尺寸限制，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?/7的縮尺模型，大底盤4層簡化為2層，塔樓8層簡化為4層，縮尺后的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)模型尺寸如圖3所示，圖3(a)分為6層是表示模型實(shí)際樓層數(shù)；圖3(b)分為8層，目的是為了方便表示試驗(yàn)測試結(jié)果所劃分的層數(shù)。隔震支座布置如圖4所示。隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖3 試驗(yàn)用縮尺模型

圖4隔震支座布置

采用ETABS軟件建立結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型見圖5?；炷翗前宀捎梅謱託卧M，混凝土梁、柱采用空間桿系單元模擬，隔震支座采用Isolator1連接單元模擬。LNR采用線彈性模型，水平向控制參數(shù)用等效剛度描述；LRB采用空間雙向簡化Bouc-Wen模型，水平向控制參數(shù)有屈服前、后剛度和屈服力；取兩種支座豎向拉壓剛度相等。

圖5有限元分析模型

3.2 模型合理性驗(yàn)證

進(jìn)行振動臺試驗(yàn)時(shí)輸入白噪聲(0.10g)測試兩種結(jié)構(gòu)自振周期，表3為試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果的對比。

表3 試驗(yàn)和數(shù)值分析的自振周期對比

從表3得出抗震模型試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果誤差為7.60%，隔震模型試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果誤差為3.30%，說明兩種模型的吻合度較好。數(shù)值模型合理可進(jìn)行后續(xù)分析。

4 結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)分析結(jié)果

由于遠(yuǎn)場地震動加速度峰值普遍較小，因此有限元分析時(shí)將遠(yuǎn)場地震動峰值設(shè)置為0.1g和0.2g，近場地震動設(shè)置為0.2g和0.4g，地震波雙向輸入，x、y向加速度峰值比例為0.85∶1。由于篇幅有限，且x向和y向結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)規(guī)律一致，因此僅列出峰值加速度0.2g時(shí)結(jié)構(gòu)y向的分析結(jié)果。

4.1 頂層加速度響應(yīng)

圖6是基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)分別在近場普通地震動ELC180、近場脈沖地震動TCU052、遠(yuǎn)場普通地震動H05000和遠(yuǎn)場諧和地震動ILA056N下的y向頂層加速度對比。

由圖6可知，普通地震動下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減震效果良好，頂層加速度響應(yīng)大幅度降低。但近場脈沖地震動下，前段隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度雖有降低，但脈沖效應(yīng)增大，后期與抗震結(jié)構(gòu)沒有差別；遠(yuǎn)場諧和地震動下，前期隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度也有所降低，但后期反而比抗震結(jié)構(gòu)增大不少。說明在長周期地震動下，隔震結(jié)構(gòu)在長周期分量高的時(shí)間段產(chǎn)生明顯共振響應(yīng)，增大加速度響應(yīng)，降低減震效果。

4.2 層剪力響應(yīng)

圖7和圖8分別是近場地震動和遠(yuǎn)場地震動下層剪力響應(yīng)對比圖。表4是遠(yuǎn)場地震動和近場地震動下層剪力減震率。

以下所有圖形的樓層表達(dá)如圖3(b)所示，分為8層，0代表基礎(chǔ)固端(振動臺臺面)；1代表隔震層隔震支座頂面；2代表第1層；3～7分別代表第2～6層；8代表頂層。

圖6頂層加速度對比

圖7 近場地震動下樓層剪力對比

圖8遠(yuǎn)場地震動下樓層剪力對比

表4 層剪力減震率

由圖7、圖8和表4可知，不管是在近場脈沖或遠(yuǎn)場諧和地震動下，隔震結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)的底層剪力均遠(yuǎn)大于普通地震動，約為普通地震動下的2倍左右。在近場普通和遠(yuǎn)場普通地震動下，隔震結(jié)構(gòu)減震效果良好，減震率均達(dá)到55%～70%，但近場脈沖和遠(yuǎn)場諧和地震動下隔震效果下降，尤其在大底盤樓層減震率僅為30%左右。

4.3 樓層位移響應(yīng)

圖9和圖10分別是近場地震動(0.4g)和遠(yuǎn)場地震動(0.2g)下y向樓層位移對比圖。由圖9和圖10可知，抗震結(jié)構(gòu)的樓層位移隨樓層緩慢增長，在底盤與塔樓交界處出現(xiàn)較大幅度增長；在普通地震動下，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減震效果良好，樓層位移主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)幾乎為平動；不管是在近場脈沖或在遠(yuǎn)場諧和地震動下，隔震結(jié)構(gòu)樓層位移均大于普通地震動；遠(yuǎn)場諧和地震動(0.2g)下，隔震層y向位移約為普通地震動下位移的7倍。近場脈沖地震動(0.4g)下，隔震層y向位移超限，約為普通地震動位移的6倍，遠(yuǎn)大于《抗規(guī)》中的近場影響系數(shù)1.5。說明長周期地震動對隔震層造成極大影響。而現(xiàn)有規(guī)范缺乏對長周期地震動的考量。

圖9 近場地震動下樓層位移對比

圖10遠(yuǎn)場地震動下樓層位移對比

為突出長周期地震動對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，圖11和圖12分別是8度設(shè)防脈沖地震動工況(峰值加速度為0.2g)與8度罕遇普通地震動工況(峰值加速度為0.4g)、8度多遇普通地震動工況(峰值加速度為0.1g)與8度設(shè)防諧和地震動工況(峰值加速度為0.2g)y向位移對比。

由圖11和圖12得，抗震結(jié)構(gòu)在脈沖地震動下的結(jié)構(gòu)位移(8度設(shè)防)與普通地震動下(8度罕遇)響應(yīng)接近。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在8度設(shè)防脈沖地震動下的位移響應(yīng)為8度罕遇普通地震動下位移響應(yīng)的3.4倍左右。抗震結(jié)構(gòu)在諧和地震動的結(jié)構(gòu)位移(8度多遇)與普通地震動下(8度設(shè)防)響應(yīng)接近。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇諧和地震動下的位移響應(yīng)為8度設(shè)防普通地震動下位移響應(yīng)的2.5倍左右。說明長周期地震動的能量巨大，對結(jié)構(gòu)安全十分不利。規(guī)范對于地震烈度的劃分不適用于長周期地震動，尤其對于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)來說，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在長周期地震動下，會造成隔震層超限、隔震結(jié)構(gòu)整體倒塌破壞。

圖11 近場地震動下層間位移角對比

圖12遠(yuǎn)場地震動下層間位移角對比

4.4 層間位移角響應(yīng)

圖13和圖14分別是近場地震動和遠(yuǎn)場地震動下層間位移角響應(yīng)對比圖?？紤]到由于隔震層位移較大，且隔震層高度較小，導(dǎo)致隔震結(jié)構(gòu)底層層間位移角較大，無實(shí)際對比意義。因此從2層開始進(jìn)行對比。

由圖13和圖14得，兩種結(jié)構(gòu)在近場脈沖和遠(yuǎn)場諧和地震動下的層間位移角均大于普通地震動。普通地震動下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震效果良好，能有效降低層間位移角，使其小于《抗規(guī)》限值。但在近場脈沖和遠(yuǎn)場諧和地震動下，抗震結(jié)構(gòu)層間位移角基本超限，而隔震結(jié)構(gòu)減震效果降低，層間位移角同樣超限，尤其大底盤樓層層間位移角較大，存在安全隱患。

4.5 樓層扭矩分析

圖15和圖16分別是近場地震動和遠(yuǎn)場地震動下樓層扭矩對比圖。

圖13 近場地震動下層間位移角對比

圖14遠(yuǎn)場地震動下層間位移角對比

由圖15和圖16可知，結(jié)構(gòu)扭矩由底部向上部結(jié)構(gòu)逐漸減小。普通地震動下，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)能較好降低結(jié)構(gòu)扭矩，但是在近場脈沖或遠(yuǎn)場諧和地震動下，結(jié)構(gòu)的扭矩均大于普通地震動，說明長周期地震動下，大底盤扭矩減震效果差。

圖15近場地震動下樓層扭矩對比

4.6 樓層位移比

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[17](JGJ3—2010)規(guī)定，高層建筑位移比不宜大于該樓層1.2倍(均值)，且應(yīng)小于1.5倍(均值)，因此對樓層位移比的控制可達(dá)到降低結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。圖17和圖18分別是近場地震動和遠(yuǎn)場地震動下樓層位移比對比圖。由于抗震結(jié)構(gòu)沒有隔震層將其舍去，只取上部結(jié)構(gòu)樓層進(jìn)行對比。

圖16 遠(yuǎn)場地震動下樓層扭矩對比

圖17 近場地震動下樓層位移比

圖18遠(yuǎn)場地震動下樓層位移比

由圖17和圖18可知，抗震結(jié)構(gòu)塔樓質(zhì)量中心與大底盤質(zhì)量中心存在偏心，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與隔震層剛度中心也存在偏心，因此大底盤結(jié)構(gòu)底部存在明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。普通地震動下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減震效果良好，在一定程度上能夠降低大底盤的平扭耦合效應(yīng)，使樓層位移比在1.2左右。但是不管是近場脈沖或遠(yuǎn)場諧和地震動下，隔震結(jié)構(gòu)減震效果降低，使得底部扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有所放大，大底盤樓層位移比在1.5左右，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。

5 結(jié) 論

(1) 長周期作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減震效果比普通地震動下差。長周期地震動下，大底盤樓層的減震效果較塔樓明顯降低，設(shè)防烈度下層間位移角超限，罕遇烈度下隔震層位移超限。

(2) 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)能夠降低大底盤結(jié)構(gòu)的平-扭耦合效應(yīng)。長周期地震動相比較于普通地震動下，扭轉(zhuǎn)響應(yīng)增大。大底盤扭轉(zhuǎn)響應(yīng)大于塔樓，扭轉(zhuǎn)響應(yīng)最大處在大底盤頂層。

(3) 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與長周期地震動產(chǎn)生共振效應(yīng)，使得基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)的增長幅度大于抗震結(jié)構(gòu)。建議我國抗震規(guī)范針對建筑結(jié)構(gòu)增加長周期地震動影響系數(shù)的取值。

(4) 隔震結(jié)構(gòu)樓層位移均大于普通地震動，特別是隔震層位移超限嚴(yán)重，應(yīng)考慮采取限位裝置和措施。