考慮土-樁筏基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)的共同作用的層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

房思彤， 劉德穩(wěn)*， 張亞飛， 雷 敏

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 昆明 650051； 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院， 上海 200091)

層間隔震結(jié)構(gòu)是一種新型隔震體系，近年來其隔震性能受到各國學(xué)者關(guān)注。近年來，中國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)房屋的安全性愈發(fā)重視，以往對(duì)于結(jié)構(gòu)研究的剛性基礎(chǔ)假定具有局限性和不真實(shí)性，對(duì)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用(soil-structure interaction，SSI)更加全面的認(rèn)識(shí)與研究將具有價(jià)值。

針對(duì)SSI效應(yīng)的抗震結(jié)構(gòu)體系，一些組織機(jī)構(gòu)和學(xué)者進(jìn)行了研究，王剛[1]用四層磚砌體結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象輸入地震波，比較不同技術(shù)下結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)開始變形至完全破壞的過程，發(fā)現(xiàn)所提技術(shù)對(duì)多層專題建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固性能好。張望喜等[2]對(duì)某 6 層辦公樓的框架進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用后，鋼筋混凝土(reinforced concrete，RC)框架結(jié)構(gòu)自振周期變長，頻率下降，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移變大，整個(gè)結(jié)構(gòu)最下層柱鉸變多。朱林等[3]總結(jié)了用于結(jié)構(gòu)減震的多種安裝形式的黏滯阻尼器，提出一種新的簡易抗震裝置，具有較好的隔震性能。李清等[4]發(fā)現(xiàn)大底盤雙塔結(jié)構(gòu)在地震時(shí)底盤與上部塔樓連接處的薄弱層易遭到破壞，采用層間隔震技術(shù)，結(jié)果表明：隔震結(jié)構(gòu)的加速度幅值、層間位移、底部剪力都相應(yīng)地減小。Xia等[5]研究大跨度鋼、木混合結(jié)構(gòu)屋蓋的抗震性能，從基本周期與抗側(cè)剛度比、地震作用估算、承載力設(shè)置、抗震變形驗(yàn)算、連接與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)5個(gè)測試參數(shù)展開，結(jié)果表明：跨度鋼、木混合結(jié)構(gòu)屋蓋相對(duì)單一結(jié)構(gòu)屋蓋而言,抗震性能更好。Pan等[6]以上海中心大廈為實(shí)例進(jìn)行研究，建立了基于宏梁理論的集總質(zhì)量有限元模型，通過簡化模型提供了一種預(yù)測其地震響應(yīng)的有效方法，并且其輸出對(duì)于長期健康監(jiān)測和地震翻新領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是可靠的。Mokhtari等[7]以研究RC建筑物的抗震能力，對(duì)6層RC建筑物進(jìn)行了分析檢查，對(duì)遠(yuǎn)斷層地面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了增量動(dòng)力分析，建議是否使用摩擦擺軸承(friction pendulum bearing，F(xiàn)PB)。周力強(qiáng)等[8]以3層的鋼框架結(jié)構(gòu)為分析模型利用Sap2000對(duì)上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和隔震層質(zhì)量中心、剛度中心分布不均勻的3種方案，研究表明：隔震層的剛度中心偏心距較質(zhì)量中心偏心距對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響更大。易鳴等[9]以某框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震樓和與其相近的非隔震樓進(jìn)行對(duì)比，總體來說,隔震支座可以顯著降低水平向地震對(duì)于結(jié)構(gòu)的不良反應(yīng),值得推廣應(yīng)用。劉學(xué)軍等[10]、周力強(qiáng)等[11]、尚守平等[12]均研究表明考慮SSI效應(yīng)下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)具有差異，顏桂云等[13]以山東鄄城的某學(xué)校6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓利用不同類型的地震波隔震支座來對(duì)比減震效果的強(qiáng)弱，給隔震設(shè)計(jì)起一定的參考作用，李敬宇等[14]對(duì)隔震層放置不同位置對(duì)地震響應(yīng)參數(shù)具有相關(guān)性。

以上均為抗震體系和基礎(chǔ)隔震體系，對(duì)于考慮SSI效應(yīng)的樁基礎(chǔ)層間隔震結(jié)構(gòu)體系，尚未有學(xué)者涉及?；诖耍F(xiàn)建立考慮SSI效應(yīng)下層間隔震結(jié)構(gòu)模型，通過地震作用下結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)分析，揭示考慮SSI效應(yīng)下層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律，給實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

某8層框架結(jié)構(gòu)建立層間隔震結(jié)構(gòu)，設(shè)防烈度8度，場地類別Ⅱ類，地震設(shè)計(jì)分組第二組，采用框架結(jié)構(gòu)體系，隔震層在2層頂。結(jié)構(gòu)長40 m，寬32 m，層高3 m，柱尺寸為800 mm×800 mm，梁尺寸為600 mm×300 mm，柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱向鋼筋型號(hào)為HRB400，箍筋型號(hào)為HRB300，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm。基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，地基土體阻尼比為0.2，采用瑞利阻尼。圖1為結(jié)構(gòu)三維有限元模型，表1為基底下不同土體參數(shù)，表2為黏性邊界參數(shù)。

表2 邊界黏性單元

表1 采用不同地基土參數(shù)

圖1 考慮土-樁筏基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)的層間隔震結(jié)構(gòu)3D圖Fig.1 3D diagram of story isolation structure considering soil pile raft foundation structure

本模型梁柱采用beam單元，樓板采用shell單元，基礎(chǔ)采用solid單元，三者采用tie綁定，共節(jié)點(diǎn)耦合連接。模擬土體截取的約16倍邊長的長方形，長為400 m，寬為300 m，深度方向?yàn)?0 m，在土體邊界處采用黏彈性邊界吸收地震波，地震波在基巖底部施加，使得結(jié)構(gòu)及土體受到地震作用，采用非線性彈簧進(jìn)行模擬隔震支座。

1.2 地震波選取

通過美國太平洋地震中心選取3條地震動(dòng)南京波、天津波和蘭州波，地震動(dòng)基本信息如表3所示，地震波的加速度反應(yīng)譜如圖2所示。

表3 三類地震動(dòng)基本信息

圖2 地震波反應(yīng)譜Fig.2 Seismic wave response spectrum

2 考慮SSI效應(yīng)下層間隔震地震響應(yīng)

2.1 基底采用不同性質(zhì)土?xí)r的層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

基底采用不同性質(zhì)土?xí)r結(jié)構(gòu)頻率對(duì)比如表4所示。

表4 基底采用不同性質(zhì)土?xí)r結(jié)構(gòu)模態(tài)分析前3階周期

由表4可知，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用后，不同地基假定計(jì)算出的結(jié)構(gòu)周期相比，在前三階，軟土層比硬土層的結(jié)構(gòu)體系自振周期延長。3種地震波下基底采用不同性質(zhì)土?xí)r結(jié)構(gòu)的基底剪力如圖3所示。

圖3 基底下采用不同性質(zhì)土?xí)r的天津波、南京波和蘭州波的結(jié)構(gòu)基底剪力對(duì)比圖Fig.3 Comparison of shear force of structural basement of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave under different soil properties

由圖3可知，在3種地震波的輸入下對(duì)考慮SSI效應(yīng)的層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，基底下采用不同性質(zhì)土?xí)r，不考慮SSI效應(yīng)的基底剪力明顯大于考慮SSI的情況，而基底采用硬土層時(shí)又較軟土層的剪力更大。3種地震波輸入下基底采用軟、硬土?xí)r樓層位移圖如圖4所示。

由圖4可知，3種地震波輸入下對(duì)考慮SSI效應(yīng)的層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，基底采用不同性質(zhì)土?xí)r，不考慮SSI效應(yīng)的樓層位移明顯大于考慮SSI的情況，而采用硬土層時(shí)又較軟土層時(shí)樓層位移更大。基底采用不同性質(zhì)土下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及位移云圖如圖5～圖7所示。

圖4 不同性質(zhì)土層時(shí)的天津波、南京波和蘭州波的樓層位移圖Fig.4 Floor displacement diagram of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave under different soil layers

由圖5～圖7可知，基底采用不同性質(zhì)土?xí)r，上部結(jié)構(gòu)及土體整體的應(yīng)力應(yīng)變有所區(qū)別，隨著土體的剛度增大，基底采用硬土層時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變大于采用軟土層的情況。

圖5 基底采用不同性質(zhì)土?xí)r上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig.5 Stress diagram of superstructure with different soil properties

圖6 基底采用不同性質(zhì)土?xí)r土體應(yīng)力圖Fig.6 Stress diagram of soil mass with different soil properties

圖7 基底采用不同性質(zhì)土?xí)r土體應(yīng)變圖Fig.7 Strain diagram of soil mass with different soil properties

2.2 不同樁長的層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

采用不同樁長時(shí)(淺樁基礎(chǔ)3 000 mm，深樁基礎(chǔ)6 400 mm)時(shí)結(jié)構(gòu)周期比如表5所示。

由表5可知，考慮SSI時(shí)，深樁基礎(chǔ)比淺樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率大、周期小。3種地震波下不同基礎(chǔ)埋深地震響應(yīng)如圖8所示。

表5 采用不同樁長時(shí)模態(tài)分析前3階周期

由圖8可知，不考慮SSI效應(yīng)的結(jié)構(gòu)基底剪力明顯大于考慮SSI的情況，淺樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)基底剪力值較深樁基礎(chǔ)體系降低。這是由于深樁基礎(chǔ)與淺樁基礎(chǔ)相比，其地基對(duì)上部結(jié)構(gòu)多了基礎(chǔ)周圍約束，加強(qiáng)了對(duì)上部結(jié)構(gòu)的約束作用，使得基礎(chǔ)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減弱，傳遞給上部結(jié)構(gòu)的加速度增大，因此基底剪力增大。三種地震波下不同基礎(chǔ)樁深時(shí)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)如圖9所示。

圖8 采用不同基礎(chǔ)樁深時(shí)的天津波、南京波和蘭州波的結(jié)構(gòu)基底剪力對(duì)比圖Fig.8 Comparison of structural base shear of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave with different pile depths

由圖9可知，考慮 SSI效應(yīng)時(shí)，不考慮SSI的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)明顯大于考慮SSI的情況，采用深樁基礎(chǔ)比淺樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)各層位移要大。采用不同基礎(chǔ)樁深的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及位移云圖如圖10～圖12所示。

圖9 采用不同基礎(chǔ)樁深時(shí)的天津波、南京波和蘭州波的結(jié)構(gòu)位移對(duì)比圖Fig.9 Comparison of structural displacement of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave with different pile depths

由圖10～圖12可知，考慮SSI作用下淺樁基礎(chǔ)和深樁基礎(chǔ)時(shí)體系應(yīng)力場、應(yīng)變場發(fā)生改變，采用深樁基礎(chǔ)的土層應(yīng)力、應(yīng)變大于淺樁基礎(chǔ)時(shí)的情況。

圖10 采用不同基礎(chǔ)樁深與不考慮SSI的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比圖Fig.10 Comparison of structural stress with different pile depths and without considering SSI

圖11 采用不同基礎(chǔ)樁深時(shí)土層應(yīng)力圖Fig.11 Stress diagram of soil layer with different pile depths

圖12 采用不同基礎(chǔ)樁深時(shí)土層應(yīng)變圖Fig.12 Strain diagram of soil layer with different pile depths

3 結(jié)論

建立了考慮土-樁筏基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)共同作用的層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)模型，通過非線性響應(yīng)分析，研究了考慮SSI效應(yīng)下層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)不同地震波輸入下，不考慮SSI層間隔震地震響應(yīng)比考慮SSI的地震響應(yīng)要大。

(2)考慮SSI時(shí)，基底采用不同性質(zhì)土?xí)r，采用硬土?xí)r結(jié)構(gòu)基底剪力、各層位移比采用軟土層時(shí)大。

(3)考慮SSI時(shí)，采用深樁基礎(chǔ)時(shí)的基底剪力、各層位移比采用淺樁基礎(chǔ)時(shí)大。