遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震作用下樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)特征與失效控制

吳應(yīng)雄，林友勤

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省土木工程多災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350108)

通過(guò)采用建筑隔震技術(shù)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，有效地避開(kāi)了場(chǎng)地的特征周期，增大了結(jié)構(gòu)的阻尼，通過(guò)隔震層的耗能作用降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[1-2]。根據(jù)隔震層安裝位置的不同，隔震結(jié)構(gòu)可分為基礎(chǔ)隔震和層間隔震。新發(fā)展的層間隔震技術(shù)突破了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震層只能布置在結(jié)構(gòu)底部的限制，根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)靈活布置隔震層，易使建筑和使用方面滿足要求[3]，近年來(lái)，層間隔震技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的理論分析和抗震設(shè)計(jì)多基于剛性地基假定上，不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)[4-5](土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)簡(jiǎn)稱“SSI效應(yīng)”)。對(duì)于建立在基巖或堅(jiān)硬地基上的隔震結(jié)構(gòu)，地震波基本不會(huì)改變其特性，直接作用在結(jié)構(gòu)基底上。而對(duì)于建立在軟弱地基上的結(jié)構(gòu)，地基土將改變輸入地震波的動(dòng)力特性，增大結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系的阻尼，延長(zhǎng)周期，由于體系變?nèi)?，使基底產(chǎn)生一定的搖擺運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，基于剛性假定下設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)可能無(wú)法體現(xiàn)出應(yīng)有的減震效果，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差[6-8]。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡(jiǎn)稱“《2010版抗規(guī)》”)第12章12.1.3條，以及《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51408—2021)(簡(jiǎn)稱“《2021隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》”)規(guī)定：隔震結(jié)構(gòu)建筑場(chǎng)地宜為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，并應(yīng)選用穩(wěn)定性較好的基礎(chǔ)類型。但是這兩本規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)處于深厚軟弱土層地基上的結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)的相關(guān)規(guī)定和計(jì)算方法并未涉及。針對(duì)樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系，強(qiáng)震下的樁與土之間會(huì)產(chǎn)生分離和滑移等問(wèn)題，導(dǎo)致樁土接觸面分離、滑移程度發(fā)展，影響上部隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特征。同時(shí)，深軟土層場(chǎng)地上隔震結(jié)構(gòu)的搖擺效應(yīng)尤為明顯，可能會(huì)引起基礎(chǔ)與地基的大面積受拉分離現(xiàn)象，進(jìn)一步加大上部結(jié)構(gòu)的搖擺效應(yīng)。日本《隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》指出：在軟弱場(chǎng)地的情況下，地震動(dòng)出現(xiàn)長(zhǎng)周期化的同時(shí)，SSI效應(yīng)對(duì)輸入地震波特性有可能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響[9]。因此，樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力耦合機(jī)理需要研究。

長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)包含豐富的低頻成分，對(duì)于周期較大的隔震結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)不同于普通地震動(dòng)。在傳播過(guò)程中高頻成分隨傳播距離衰減而低頻成分因場(chǎng)地因素放大[10]，后期振動(dòng)階段類似諧波振動(dòng)，對(duì)自振周期較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)可能引起嚴(yán)重破壞[11]。例如，1995年的日本Kobe地震雖然震級(jí)只有6.9級(jí)，但卻造成近斷層附近的工程結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞；2008年我國(guó)汶川發(fā)生8.0級(jí)大地震，距離震中1 800 km的上海，高層建筑出現(xiàn)了劇烈晃動(dòng)，引起恐慌，震害尤為明顯。目前2010版《抗規(guī)》和2021版《隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的抗震設(shè)計(jì)譜沒(méi)有考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響，對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)等長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析可能偏不安全。沿海大城市在軟土地基上建造隔震建筑，松散沉積層會(huì)放大地震波的長(zhǎng)周期成分，從而加大長(zhǎng)周期隔震建筑的震害[12]。

目前，針對(duì)考慮SSI層間隔震結(jié)構(gòu)體系在長(zhǎng)周期類諧和地震作用下動(dòng)力行為的研究還未見(jiàn)報(bào)道，其動(dòng)力耦合作用將使結(jié)構(gòu)基本周期較剛性地基假定下的基本周期延長(zhǎng)，其在長(zhǎng)周期地震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯。雖然樁-土-層間隔震系統(tǒng)延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的基本周期，防止結(jié)構(gòu)因高頻和高峰值加速度作用而破壞，但會(huì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震作用下的響應(yīng)。尤其當(dāng)?shù)卣饎?dòng)的長(zhǎng)周期類諧和成分豐富，場(chǎng)地的卓越周期長(zhǎng)，若結(jié)構(gòu)的基本周期與長(zhǎng)周期類諧和成分和卓越周期相近時(shí)，易形成“雙共振”效應(yīng)，隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)強(qiáng)烈，易導(dǎo)致隔震支座水平剪切變形破壞或拉壓破壞，亦可能導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件特別是隔震層下部結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致隔震結(jié)構(gòu)整體損傷破壞。因此，長(zhǎng)周期類諧和地震下按照傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)設(shè)計(jì)的層間隔震結(jié)構(gòu)可能無(wú)法滿足安全要求。

此外，對(duì)于樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系，其隔震層處僅有一道“抗震防線”，當(dāng)其在長(zhǎng)周期地震作用下，尤其形成“雙共振”效應(yīng)時(shí)，隔震層的局部破壞將引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。通過(guò)在樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)置消能器，可保持隔震層在長(zhǎng)周期地震或“雙共振”效應(yīng)下的穩(wěn)定性，成為隔震層的第二道防線。

綜上所述，開(kāi)展不同場(chǎng)地上樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用機(jī)理及其在長(zhǎng)周期地震下的失效機(jī)制與控制的研究具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文旨在完善樁-土-上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的相關(guān)基本理論與計(jì)算方法，為深厚軟弱地基上采用層間隔震結(jié)構(gòu)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)和具體的指導(dǎo)。

1 考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的隔震結(jié)構(gòu)研究

土-隔震結(jié)構(gòu)作為土-結(jié)構(gòu)相互作用研究課題的分支，既有土-結(jié)構(gòu)相互作用的特點(diǎn)，同時(shí)隔震橡膠支座的加入使得相互作用問(wèn)題有了新的特征，隔震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)通?；趧傂约俣?，然而SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響是客觀存在的，考慮SSI效應(yīng)后可能對(duì)隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為不利的影響。目前，針對(duì)該科學(xué)問(wèn)題的主要研究主要包括理論分析、數(shù)值分析和模型試驗(yàn)。

理論分析方面，Constantinou等[13]、Novak等[14]采用簡(jiǎn)化分析模型，研究了SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響規(guī)律，驗(yàn)證了考慮SSI效應(yīng)在隔震結(jié)構(gòu)體系中的重要性。Luco[15]和Spyrakos等[16]分別采用彈簧和阻尼器模擬SSI效應(yīng)，建立了相關(guān)的簡(jiǎn)化分析模型，為SSI效應(yīng)理論分析提供了可靠的科學(xué)方法。李昌平等[17]建立了考慮SSI效應(yīng)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析模型，表明SSI效應(yīng)對(duì)于高層隔震結(jié)構(gòu)的影響比中低層結(jié)構(gòu)大。于旭等[18]給出和改進(jìn)了土-隔震結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性參數(shù)的計(jì)算公式和簡(jiǎn)化分析方法，為隔震結(jié)構(gòu)考慮SSI效應(yīng)的影響提供了簡(jiǎn)便有效的分析方法。張尚榮等[19]建立了層間隔震結(jié)構(gòu)考慮SSI效應(yīng)的簡(jiǎn)化分析模型，結(jié)果表明，考慮SSI效應(yīng)的層間隔震結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了體系周期，同時(shí)放大了各子結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)；對(duì)上、下部子結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)影響不同，其影響程度主要與場(chǎng)地剪切波速和體系高寬比有關(guān)。然而，對(duì)SSI效應(yīng)的理論研究均基于彈性半空間理論簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)地基，很難考慮地基內(nèi)土體的多層性和非線性等實(shí)際情況，強(qiáng)震時(shí)土體的軟化不能有效考慮，從而影響隔震支座和隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，使得分析結(jié)果與實(shí)際情況還有一定的差距。

數(shù)值分析方面，數(shù)值計(jì)算方法能夠彌補(bǔ)簡(jiǎn)化計(jì)算方法的不足，充分考慮結(jié)構(gòu)地基土體的多層性、非線性和各向異性等復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)上部隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響。Cho等[20]采用有限元和邊界元的耦合，建立了土-基礎(chǔ)隔震耦合動(dòng)力系統(tǒng)，并通過(guò)算例驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和適用性。Mahmoud等[21]對(duì)軟弱地基上基礎(chǔ)隔震高層結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行研究，表明地基剛度對(duì)上部隔震結(jié)構(gòu)有非常明顯的影響。Hokmabadi等[22]建立了SSI的三維有限元分析模型，研究了SSI效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的影響規(guī)律。李海嶺等[23]、王阿萍等[24]分析了土-基礎(chǔ)隔震有限元模型，表明剛性地基假定設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)并不偏于安全，SSI效應(yīng)不容忽視[25]。Pang[26]建立了大底盤(pán)單塔樓基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)有限元分析模型，研究了考慮和不考慮SSI效應(yīng)時(shí)隔震體系動(dòng)力特性和地震響應(yīng)的差異。項(xiàng)征等[27]研究了軟土地基下基礎(chǔ)隔震體系的基本頻率和動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律，考慮了不同的隔震層參數(shù)和地基土參數(shù)變化對(duì)基礎(chǔ)隔震體系的影響，表明SSI效應(yīng)使得隔震結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)，土越軟SSI效應(yīng)越明顯；SSI效應(yīng)對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)造成不同程度的影響，土越軟效果越明顯[28-29]。杜東升等[30]研究了不同地震動(dòng)作用下考慮SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響，認(rèn)為長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的SSI效應(yīng)更加顯著。基于此，曾建仙等[31]分析了多類型長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下土-隔震體系的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明，SSI效應(yīng)使層間隔震體系在長(zhǎng)周期地震動(dòng)下Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地上的層間隔震結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角增大，土越軟層間位移角增大越明顯；遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下加速度響應(yīng)和隔震層位移均有所放大，長(zhǎng)周期地震動(dòng)下考慮SSI效應(yīng)后隔震結(jié)構(gòu)的減震效果變差。上述已有的數(shù)值分析中主要是以等效線性模型來(lái)考慮土體的材料非線性，研究成果缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)方面，有關(guān)學(xué)者開(kāi)展了系列考慮SSI效應(yīng)隔震結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析和數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。劉方成[32]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了土-結(jié)構(gòu)界面接觸的非線性特性、土-結(jié)構(gòu)體系上下剛度比變化對(duì)SSI效應(yīng)的影響等問(wèn)題，提出了剛性結(jié)構(gòu)基底軟土夾層隔震的思路。吳應(yīng)雄等[33]進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)層狀剪切型土箱的研制，研究表明，剪切型土箱能較好地模擬土體的邊界條件，有效減少地震波的反射或散射效應(yīng)。劉偉慶等[34]、李昌平等[35]對(duì)不同土性地基上基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，不同土性地基上隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和減震效果進(jìn)行對(duì)比分析。莊海洋等[36-37]基于一般地基、軟夾層地基和剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明：SSI效應(yīng)使得基礎(chǔ)及隔震層產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，減震效果與隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的強(qiáng)弱密切相關(guān)。于旭等[38]和朱超等[39]對(duì)比分析了不同類型地震動(dòng)作用下軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，表明軟夾層地基上基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的減震率及動(dòng)力反應(yīng)與輸入地震動(dòng)特性和峰值強(qiáng)度有關(guān)。許立英等[40]進(jìn)行不同土性地基考慮SSI效應(yīng)的隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究，結(jié)果表明，硬土地基上的隔震結(jié)構(gòu)減震率較剛性地基沒(méi)有降低，仍能發(fā)揮較好的減震效果，而軟土地基上隔震結(jié)構(gòu)的減震效果減弱明顯。吳應(yīng)雄等[41]進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下軟土地基上層間隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，指出考慮SSI效應(yīng)后遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下隔震結(jié)構(gòu)的減震效果遠(yuǎn)差于普通地震動(dòng)，基礎(chǔ)及隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)明顯。

上述研究多考慮SSI對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的影響。然而，層間隔震體系的隔震層下部結(jié)構(gòu)為抗震體系，其動(dòng)力特性明顯不同于基礎(chǔ)隔震。目前考慮SSI的層間隔震研究國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，唐能[42]考慮SSI效應(yīng)對(duì)串聯(lián)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明位移響應(yīng)有所放大，且隨著場(chǎng)地土的變軟，對(duì)隔震效果影響增大顯著。由于考慮SSI效應(yīng)的隔震結(jié)構(gòu)研究中存在各種不足，成為阻礙各國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范未能給出具體計(jì)算方法和條文的主要原因。

2 長(zhǎng)周期地震動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)又稱長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)，記錄中包含豐富的低頻長(zhǎng)周期成分。這些長(zhǎng)周期分量若經(jīng)過(guò)深厚軟弱土層的放大，可使后期振動(dòng)階段產(chǎn)生多個(gè)循環(huán)的長(zhǎng)周期脈沖，類似諧波振動(dòng)，且持時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)自振周期較長(zhǎng)的工程結(jié)構(gòu)，諸如超高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)和大跨橋梁結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生較大反應(yīng)，甚至造成損傷破壞。

廖述清等[43]進(jìn)一步提出當(dāng)震源位于由軟弱沉積物形成的表層地基時(shí)，地震動(dòng)中的長(zhǎng)周期成分非常豐富。楊偉林等[44]研究認(rèn)為遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)加速度相對(duì)較低，但地震動(dòng)位移較大，對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析時(shí)應(yīng)考慮到起控制作用的位移、速度，而不僅限加速度。許智星等[45]根據(jù)其傅里葉譜的分布形式篩選出近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期以及普通地震動(dòng)，研究表明，長(zhǎng)周期地震動(dòng)反應(yīng)譜卓越周期較大，建議規(guī)范設(shè)計(jì)譜的平臺(tái)值以及特征周期應(yīng)有所提高。杜東升等[46]研究了長(zhǎng)周期地震動(dòng)影響因素及頻譜參數(shù)，認(rèn)為加速度反應(yīng)譜平均周期適合用來(lái)評(píng)價(jià)長(zhǎng)周期地震動(dòng)。王博等[47]選擇40條遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)，分別計(jì)算對(duì)應(yīng)于每條地震動(dòng)的12種代表性頻譜特征周期參數(shù)與20種強(qiáng)度指標(biāo)，建議遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)抗震分析采用強(qiáng)度指標(biāo)。許立英等[48]綜合考慮273條地震動(dòng)斷層距、PGA、PGV/PGA及平均周期等地震動(dòng)基本參數(shù)指標(biāo)，對(duì)比其反應(yīng)譜、傅里葉譜以及能量譜，指出長(zhǎng)周期地震動(dòng)具有能量大且集中于低頻區(qū)域的特點(diǎn)。由于遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)包含豐富的低頻長(zhǎng)周期成分，后期類似諧波振動(dòng)，能量衰減緩慢，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯不同于普通周期地震下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。Minagawa等[49]認(rèn)為隔震層的設(shè)置使得隔震體系的自振周期延長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)使得結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的減震性能降低。王亞楠等[50]對(duì)比了遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期、普通地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的差異性，結(jié)果表明：遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯大于普通地震動(dòng)，在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮其不利影響[51]。顏桂云等[52]以8條遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震記錄與3條普通地震記錄作為地震動(dòng)輸入，對(duì)一幢鋼筋混凝土框架層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析。結(jié)果表明，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的減震效果較普通地震動(dòng)作用差，層間隔震結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)相比抗震結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)減小，隔震支座最大位移遠(yuǎn)超其允許位移[53]。夏侯唐斌[54]開(kāi)展了長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下大底盤(pán)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，研究表明，長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的減震率明顯下降，且結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)響應(yīng)增大。

以上研究主要集中于長(zhǎng)周期地震動(dòng)特性與其作用下高層建筑地震響應(yīng)的研究，但是針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)與損傷性能的相關(guān)研究仍然較少。

3 結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)與控制研究

采用合理的損傷模型和損傷指標(biāo)是評(píng)估隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下安全水平的重要內(nèi)容。在以往的地震中并沒(méi)有觀測(cè)到層間隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷甚至倒塌，但未來(lái)地震的發(fā)生是不確定的，所以相應(yīng)的理論支撐和準(zhǔn)備是必要的。層間隔震體系是隔震技術(shù)與傳統(tǒng)抗震技術(shù)的結(jié)合，其整體的損傷破壞機(jī)制比普通結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)損傷可能因隔震層的失效或局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞所產(chǎn)生。其中隔震層的失效主要取決于地震作用下隔震支座的極限力學(xué)性能。而局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞一般由于結(jié)構(gòu)豎向承載力喪失或水平側(cè)向變形過(guò)大引起樓層失穩(wěn)破壞。

首先，層間隔震體系中局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞可借鑒現(xiàn)有的普通結(jié)構(gòu)損傷破壞的研究成果。Cosenza等[55]提出的基于滯回耗能、累積滯回耗能的損傷指標(biāo)。為了研究延性和剛度等參數(shù)的影響，且豎向構(gòu)件大都由于承載力不足而損傷，因此Shi等[56]提出的基于承載力的損傷指數(shù)也能反映結(jié)構(gòu)倒塌性能。目前，局部或構(gòu)件損傷模型包括結(jié)構(gòu)最大塑性變形、結(jié)構(gòu)累積耗能以及Park和Ang[57]提出的最大位移與滯回耗能線性組合的雙參數(shù)地震損傷模型被地震工程界所普遍接受。在Park模型的基礎(chǔ)上，歐進(jìn)萍等[58]系統(tǒng)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷理論與應(yīng)用進(jìn)行了研究，包括地震損傷的概率分析、主余震累積損傷、損傷容限設(shè)計(jì)和損傷控制、損傷識(shí)別和耗能修復(fù)加固。

對(duì)于識(shí)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次，以上損傷指標(biāo)均具有較好的效果，但結(jié)構(gòu)整體失效通常不能只依據(jù)某根構(gòu)件或某層損傷指數(shù)判定。對(duì)結(jié)構(gòu)整體的性能的判斷必須進(jìn)行地震損傷評(píng)估，因此結(jié)構(gòu)整體失效有必要根據(jù)構(gòu)件的損傷情況進(jìn)行分析。目前，一般通過(guò)加權(quán)求和計(jì)數(shù)法推導(dǎo)出評(píng)價(jià)整體損傷指數(shù)的方法，計(jì)算簡(jiǎn)便但權(quán)重系數(shù)較難選擇。國(guó)外學(xué)者提出了一些權(quán)重系數(shù)模型，Park等[57]，Chung等[59]，Kunnath等[60]提出取構(gòu)件耗能指標(biāo)為權(quán)重系數(shù)，國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者如杜修力等[61]、吳波等[62]也對(duì)如何計(jì)算權(quán)重系數(shù)進(jìn)行分析，提出了一些計(jì)算權(quán)重系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

其次，對(duì)于保證隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震下的安全方面，隔震支座的極限性同樣十分關(guān)鍵，但局限于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)隔震支座系列的極限性態(tài)和損傷的試驗(yàn)相對(duì)較少。Dorfmann等[63]對(duì)支座進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)支座的強(qiáng)度將隨著加載的往復(fù)而降低，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了考慮空隙的損傷模型。Sato等[64]開(kāi)展了配置LRB的DFBR的隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)隔震支座的失效模式進(jìn)行了分析。Yoshida等[65]提出了基于各向同性應(yīng)變相關(guān)性硬化律的彈塑性體和基于損傷模型的超彈性體兩部分的高阻尼橡膠的組合模型。加藤秀章等[66]開(kāi)展了橡膠支座水平雙向極限性態(tài)試驗(yàn)，通過(guò)FEM法模擬扭曲變形和應(yīng)力應(yīng)變。Kim[67]提出金屬阻尼器考慮溫度影響、材料退化的損傷模型并與試驗(yàn)進(jìn)行了比較。以上研究已開(kāi)始涉及如何建立隔震或減震元件的損傷模型，因此需進(jìn)一步完善相應(yīng)的層間隔震結(jié)構(gòu)的損傷失效準(zhǔn)則。

對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的損傷控制目前國(guó)內(nèi)外主要集中于隔震層的損傷控制，尤其多數(shù)集中于基礎(chǔ)隔震的隔震層控制。樊劍等[68]研究了摩擦型隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震作用下與限位系統(tǒng)相碰撞的動(dòng)態(tài)反應(yīng)特性，給出了不同碰撞的數(shù)學(xué)表達(dá)式以及各模型中參數(shù)的具體數(shù)值。韓淼等[69]采用彈簧限位3進(jìn)行軟碰撞限位，利用軟件計(jì)算近斷層地震作用下限位隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。趙桂峰等[70]研究了彈塑性緩沖限位與滯變-摩擦并聯(lián)隔震體系。針對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)隔震層的失效控制，國(guó)內(nèi)外較少有這方面的報(bào)道。按照遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)設(shè)計(jì)的層間隔震結(jié)構(gòu)一旦遭遇近長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)，隔震層變形過(guò)大易導(dǎo)致隔震支座失效，致使上部結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)。因此，層間隔震結(jié)構(gòu)對(duì)隔震層性能及可靠性有更高的要求，長(zhǎng)周期類諧和地震作用下隔震層的失效控制顯得尤為重要。

4 結(jié) 論

(1) 考慮SSI的層間隔震結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力耦合作用機(jī)理、響應(yīng)特征、結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)及失效控制研究尚不成熟，成為阻礙各國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范未能給出具體計(jì)算方法和條文規(guī)定的主要原因。

(2) 已有研究重點(diǎn)分析長(zhǎng)周期地震動(dòng)特性與其作用下高層建筑地震響應(yīng)，針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)與損傷性能的相關(guān)研究仍然較少。

(3) 已有研究成果表明，隨著場(chǎng)地土的變軟，SSI效應(yīng)逐級(jí)增大整體隔震結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。提出了隔震層非線性變剛度軟限位的方法，開(kāi)發(fā)非線性變剛度軟限位控制系統(tǒng)，并對(duì)碰撞參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；提出了隔震層組合隔震方案。從而有效控制了樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系的失效。

5 展 望

(1) 針對(duì)樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系，強(qiáng)震時(shí)，樁與土之間將分離、滑移和擠壓，影響樁與土之間的動(dòng)力傳遞，從而影響上部隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。同時(shí)，深軟土層場(chǎng)地上隔震結(jié)構(gòu)的搖擺效應(yīng)明顯，將導(dǎo)致基礎(chǔ)與地基受拉分離，從而加大上部結(jié)構(gòu)的搖擺效應(yīng)。因此，可進(jìn)一步對(duì)樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力耦合作用機(jī)理進(jìn)行研究。

(2) 對(duì)于樁-土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系，其隔震層處僅有一道“抗震防線”，當(dāng)其在長(zhǎng)周期地震作用下，尤其形成“雙共振”效應(yīng)時(shí)，隔震層的局部破壞將引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌?？稍跇?土-層間隔震結(jié)構(gòu)體系的隔震層設(shè)置限位系統(tǒng)或設(shè)置消能器，探究組合隔震系統(tǒng)在長(zhǎng)周期地震或“雙共振”效應(yīng)下的穩(wěn)定性。