脈沖型長周期地震動下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)主要失效模式研究*

王亞楠 彭斌 于嬌 王傅杰

西安工業(yè)大學(xué) 710021

引言

近年來，隨著隔震技術(shù)的不斷成熟，在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，隔震結(jié)構(gòu)的數(shù)量也正在快速增長。但隔震結(jié)構(gòu)由于設(shè)置隔震裝置使得結(jié)構(gòu)自振周期延長，過濾了地震動中的高頻分量，而長周期地震動低頻成分豐富，反而使得隔震結(jié)構(gòu)更易受到破壞。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對此類問題展開大量的研究，如Mazza F［1］研究某五層基礎(chǔ)隔震不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)建筑在脈沖型地震動下的抗震分析。Pant［2］以四層隔震結(jié)構(gòu)為例，研究了基礎(chǔ)和擋土墻在長周期地震動作用下的碰撞響應(yīng)。Shekari［3］對圓柱形隔震儲液灌在長周期地震動作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行研究。王亞楠等［4，5］探討了隔震結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場長周期地震動作用下的地震響應(yīng)。趙益彬等［6］分析了長周期地震波和規(guī)范反應(yīng)譜相符的地震波對高層隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。吳應(yīng)雄等［7］通過振動臺試驗(yàn)，研究近場脈沖型地震動和遠(yuǎn)場長周期地震動作用下高層隔震結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。張亞飛等［8］對長周期地震動作用下框架-剪力墻結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行了分析。

目前，隔震結(jié)構(gòu)在長周期地震動下的研究多針對結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵響應(yīng)，而對隔震結(jié)構(gòu)在長周期地震動作用下的損傷破壞模式的研究相對較少。本文基于非線性動力時程分析，研究了近斷層脈沖長周期地震動作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震損傷和主要損傷模式。

1 輸入地震記錄

表1所列為從太平洋地震工程研究中心（PEER）的地震動數(shù)據(jù)庫中選取的脈沖型長周期地震記錄。

2 工程概況與數(shù)值計(jì)算模型

某5 層鋼筋混凝土框架基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)層高為3m，柱截面尺寸為550mm ×550mm，標(biāo)準(zhǔn)層梁截面尺寸為300mm×600mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，梁、柱縱向鋼筋均為HRB400；基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，每根柱下設(shè)置隔震支座。隔震支座為LRB600 鉛芯橡膠支座，設(shè)計(jì)壓應(yīng)力為12MPa，屈服前剛度為17120kN／m，屈服后剛度為1571kN／m，屈服力為110.9kN。圖1 為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)平面圖。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.1 Floor plan of structure

結(jié)構(gòu)損傷計(jì)算繁瑣，故利用SeismoStuct建立結(jié)構(gòu)損傷最為嚴(yán)重的一榀框架的數(shù)值分析模型，梁、柱采用基于力的塑性鉸單元，隔震支座采用桿系單元。圖2 所示為一榀框架的數(shù)值分析模型及梁、柱構(gòu)件編號。

圖2 數(shù)值分析模型及構(gòu)件編號Fig.2 Numerical analysis model and component number

3 主要失效模式分析

3.1 損傷模型

上部結(jié)構(gòu)梁、柱構(gòu)件的地震損傷采用Kunnath提出的損傷模型進(jìn)行分析：

式中，θm為荷載作用下結(jié)構(gòu)單元最大轉(zhuǎn)角，θu為單元截面極限轉(zhuǎn)角，θr為單元可恢復(fù)轉(zhuǎn)角；My為屈服彎矩，Eh為結(jié)構(gòu)單元積累滯回耗能；β 為組合系數(shù)，考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度退化Park 建議β 取0.1。當(dāng)Dk計(jì)算值大于0.9 時，表示構(gòu)件失效。

隔震支座損傷模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中，γbmax為隔震支座的最大變形，γbd為隔震支座的極限變形。規(guī)定當(dāng)Db計(jì)算值大于1 時，取值為1，表示隔震支座失效。

上部結(jié)構(gòu)的樓層損傷和整體損傷根據(jù)Park-Ang提出的樓層損傷指數(shù)模型和整體損傷指數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算［9］。

在非線性動力時程分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述損傷模型對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震損傷計(jì)算。

3.2 地震損傷分析

圖3所示為表1 中編號1114 地震記錄作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震損傷的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，在脈沖型長周期地震記錄作用下，上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件先于隔震支座失效，當(dāng)隔震支座失效時，上部結(jié)構(gòu)幾乎所有的底部構(gòu)件都失效；8 度罕遇地震下，上部結(jié)構(gòu)輕微破壞，9 度罕遇地震下，上部結(jié)構(gòu)的底層構(gòu)件全部失效。由于篇幅有限，此處未列出所有地震記錄作用下的地震損傷計(jì)算結(jié)果。

圖3 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震損傷Fig.3 Seismic damage of base isolated structure

3.3 主要失效模式分析

在結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用不同地震記錄增量動力時程分析作用下（隔震層到達(dá)失效前）構(gòu)件的損傷指標(biāo)和出現(xiàn)次數(shù)，搜索選擇主要失效模式的構(gòu)件。不選擇損傷值小于0.9 和發(fā)生失效次數(shù)少于3次的部件作為主要失效模式構(gòu)件。

脈沖型長周期地震動作用下構(gòu)件失效次序如表2 所示。從表2 可以看出，在脈沖地震動作用下，隔震結(jié)構(gòu)底部的中間柱首先失效，其次是與中柱相鄰的邊梁，再次為邊柱，二層邊跨梁先于柱失效。為了便于觀察，將采用多指標(biāo)綜合評價(jià)法（Z-Score法）對結(jié)構(gòu)的主要失效模式進(jìn)行定量計(jì)算［10］。

表2 構(gòu)件失效次序Tab.2 Failure sequence of components

Z分?jǐn)?shù)法對脈沖型地震動作用下的隔震結(jié)構(gòu)最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示。根據(jù)表3 可知，脈沖型地震動作用下的隔震結(jié)構(gòu)的主要損傷失效模式為：

表3 各失效構(gòu)件Z值Tab.3 Z value of each failure component

C4-2→C3-2→B3-2→B1-2→C1-2→B2-2→C2-2→B3-3→B1-3→隔震層。

4 結(jié)論

本文在非線性動力時程分析的基礎(chǔ)上，脈沖型地震動作用下的隔震結(jié)構(gòu)的地震損傷與主要失效模式進(jìn)行了研究，主要得出如下結(jié)論：

1.在脈沖型長周期地震動作用下，上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件先于隔震支座失效，當(dāng)隔震支座失效時，上部結(jié)構(gòu)的底層構(gòu)件幾乎全部失效。

2.分析上部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，脈沖型長周期地震動作用下上部結(jié)構(gòu)底層中柱在梁之前發(fā)生損傷失效，結(jié)構(gòu)損傷主要集中在一、二層。