榮強(qiáng)，吳東

近斷層地震動運(yùn)動特征對組合隔震體系減震性能的影響

榮強(qiáng)，吳東

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺264005)

輸入近斷層地震記錄，考察了破裂向前方向性和滑沖效應(yīng)脈沖對組合隔震體系減震性能的影響.研究表明，滑沖效應(yīng)脈沖比破裂向前方向性脈沖對組合隔震結(jié)構(gòu)更具有破壞性，在破裂向前方向性脈沖地震作用下，LRB隔震體系的隔震效果比組合隔震體系的效果稍好.在滑沖效應(yīng)脈沖地震作用下，采用組合隔震體系可有效減小隔震層的位移幅值，但隔震結(jié)構(gòu)的頂層加速度峰值和基底剪力略有增大.

近斷層地震動;組合隔震;破裂方向性效應(yīng);滑沖效應(yīng);反應(yīng)譜

近20年來全球發(fā)生的幾次大地震，如1994年美國北嶺地震、1995年日本阪神地震、1999年臺灣集集地震等，這些地震與遠(yuǎn)場地震動不同，呈現(xiàn)出對建筑結(jié)構(gòu)更具有破壞性的近斷層地震動特征［1-4］.基礎(chǔ)隔震技術(shù)對遠(yuǎn)場地震動是一種行之有效的減震措施并已推廣使用，我國抗震規(guī)范中有關(guān)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)定是以遠(yuǎn)場地震動研究結(jié)論為依據(jù)的，有關(guān)近斷層地震動對隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響只是在輸入地震波時通過近場影響系數(shù)來簡單考慮.如何在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計時合理地考慮近斷層地震動的影響，國內(nèi)外已有學(xué)者做了有益的探索［5-12］.研究表明，近斷層地震動對隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞作用，主要是隔震層位移幅值較大，易超過規(guī)范容許設(shè)計位移.

本文對近斷層地震動破裂向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)產(chǎn)生的速度脈沖對組合隔震體系的地震響應(yīng)進(jìn)行分析，探討近斷層地震動運(yùn)動特征對組合隔震體系減震性能的影響.

1 近斷層地震動運(yùn)動特征及反應(yīng)譜

1.1 近斷層地震動運(yùn)動特征

通常根據(jù)場地離開斷層距離的遠(yuǎn)近，地震動可分為近斷層地震動和遠(yuǎn)場地震動.近斷層地震動一般是指距離斷層不超過20 km區(qū)域場地的地震動.近斷層地震動的運(yùn)動特征主要表現(xiàn)為明顯的速度脈沖、上盤效應(yīng)以及顯著的豎向地震動等特點.其中，最為突出的運(yùn)動特征是具有速度脈沖特性，而引起速度脈沖的因素主要為破裂向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)［13］.破裂向前方向性效應(yīng)通常產(chǎn)生雙向速度脈沖，而滑沖效應(yīng)一般引起單向速度脈沖.對于走滑斷層，破裂向前方向性效主要發(fā)生在垂直于斷層面的方向，滑沖效應(yīng)發(fā)生在平行于斷層滑動的方向;對于傾滑斷層，破裂向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)均垂直于斷層走向，兩者發(fā)生耦合，如圖1.

1999年9月發(fā)生的臺灣集集地震屬逆沖型斷裂，本次地震獲得了大量的近斷層地震動記錄.本文選擇集集地震的6條近斷層地震動記錄作為輸入地震動，其中TCU051-EW、TCU082-EW、TCU054-EW為含破裂向前方向性速度脈沖，TCU052-EW、TCU052-NS、TCU067-EW為含滑沖效應(yīng)速度脈沖，加速度時程曲線如圖2.將地震加速度峰值調(diào)整為400 cm/s2，相當(dāng)于罕遇地震作用下地震基本烈度為8度時所對應(yīng)的加速度峰值.

圖1 斷層中的方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)Fig.1 Directivity effect and fling-step effect of faulting

1.2 近斷層地震動反應(yīng)譜

地震動反應(yīng)譜可以較好的反映出地震動的頻譜特性對建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響［14］.為進(jìn)一步了解近斷層地震動運(yùn)動特征，選取集集地震的3條近斷層地震動記錄TCU051-EW、TCU052-EW和TCU072 -EW分別代表含破裂向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)和無速度脈沖近斷層地震動.圖3(a)和(b)分別為近斷層地震動含破裂向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)和無速度脈沖地震動在阻尼比為5%時的標(biāo)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜.由圖3(a)可知，當(dāng)周期小于0.8 s時，向前方向性效應(yīng)脈沖和無速度脈沖地震動的加速度譜值大于含滑沖效應(yīng)脈沖的地震動加速度譜值;當(dāng)周期大于1 s時，向前方向性效應(yīng)脈沖和無速度脈沖地震動的加速度譜值小于含滑沖效應(yīng)脈沖的地震動加速度譜值;當(dāng)周期大于2 s時，無速度脈沖的加速度響應(yīng)值顯著降低，向前方向性效應(yīng)脈沖和滑沖效應(yīng)脈沖的地震動加速度譜值明顯大于無速度脈沖地震動的加速度譜值.由此可見，對于短周期結(jié)構(gòu)，向前方向性效應(yīng)脈沖比滑沖效應(yīng)脈沖對結(jié)構(gòu)的破壞性要大;對于周期大于1 s的中長周期結(jié)構(gòu)，向前方向性效應(yīng)脈沖和滑沖效應(yīng)脈沖的破壞性比無速度脈沖大，且滑沖效應(yīng)脈沖對長周期結(jié)構(gòu)的影響最為顯著.隔震結(jié)構(gòu)的周期一般較長，故在近斷層脈沖型地震動作用下，隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)可能降低較小，從而使隔震效果不理想.由圖3(b)可知，含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動位移譜值明顯大于破裂向前方向性脈沖和無速度脈沖地震動的位移譜值，這表明由于長周期脈沖的存在，含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動對周期大于1 s的結(jié)構(gòu)會引起較大的位移譜值.這也意味著隔震結(jié)構(gòu)在含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動作用下很可能產(chǎn)生更大的隔震位移.

圖2 近斷層地震動的加速度時程曲線Fig.2 Acceleration time history curves of near-fault ground motions

2 近斷層地震動運(yùn)動特征對組合隔震體系的影響

2.1 工程概況

某5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屬丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為8度，框架柱截面尺寸為500 mm×500 mm，框架梁截面尺寸為350 mm×600 mm，樓板厚100 mm，混凝土標(biāo)號C40，每層層高均為3 m，結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置如圖4.

為對比研究組合隔震體系在近斷層地震動作用下的減震性能，擬采用以下3種隔震方案:(1)方案一(LRB隔震):每個柱下均設(shè)置GZY500的鉛芯橡膠隔震支座;(2)方案二(組合隔震1):4個角柱下分別設(shè)置摩擦擺隔震支座，其他柱下均設(shè)置鉛芯橡膠隔震支座;(3)方案三(組合隔震2):軸線①和軸線⑦上的8個柱下分別設(shè)置摩擦擺隔震支座，其他柱下均設(shè)置鉛芯橡膠隔震支座.GZY500鉛芯橡膠隔震支座剪切變形為250%時的等效水平剛度為1.152×103kN/m，屈服后剛度0.88×103kN/m，屈服力66.73 kN，豎向剛度2.03×106kN/m，等效粘滯阻尼比為0.14.摩擦擺隔震支座的剛度為5.66×103kN/m，摩擦系數(shù)為0.06，滑動面半徑為0.2 m.

采用SAP2000建立隔震結(jié)構(gòu)的分析模型，梁、柱采用空間梁柱單元，樓板采用殼單元，采用Ritz向量進(jìn)行模態(tài)分析，鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能通常采用雙線性模型來模擬，用Rubber Isolator模擬需輸入水平剛度、屈服力和屈服后剛度比.在SAP2000中用Friction Isolator模擬摩擦擺隔震支座需輸入剛度、摩擦系數(shù)、比率參數(shù)和滑動面半徑等參數(shù).

圖4 結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)圖Fig.4 Layout diagram of structural column

2.2 模態(tài)分析

對基礎(chǔ)固定、LRB隔震和組合隔震3種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行模態(tài)分析，3種結(jié)構(gòu)體系的前三階自振周期如表1.由表1可知，基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的前三階周期都小于0.5 s，整個結(jié)構(gòu)剛度較大，屬于短周期結(jié)構(gòu).與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)相比，采用LRB隔震和組合隔震體系都可以進(jìn)一步延長結(jié)構(gòu)的自振周期，且組合隔震體系的自振周期比LRB隔震體系的大，這是因為隔震層中部分LRB隔震支座換為FPS隔震支座，使隔震層的剛度減小了，LRB隔震結(jié)構(gòu)和組合隔震1結(jié)構(gòu)的第1階自振周期與基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的比分別為3.51和3.74，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)符合周期比2的一般限制［15］.

表13 種結(jié)構(gòu)體系的前三階自振周期Tab.1 First three vibration period of three structural systems

2.3 破裂向前方向性效應(yīng)的影響

輸入近斷層地震動記錄，LRB隔震和組合隔震體系在近斷層地震作用下的地震響應(yīng)平均值如表2.圖5為3種隔震方案在地震波(TCU051-EW)作用下的層間位移角、樓層加速度和層間剪力.由表2可知，在破裂向前方向性速度脈沖地震動作用下3種隔震方案的隔震層最大位移都沒有超過隔震支座GZY500的規(guī)范容許位移275 mm，與LRB隔震體系相比，組合隔震1和組合隔震2的隔震層位移幅值分別減小4.3%和12%，頂層加速度峰值分別增加了10%和22%，基底最大剪力分別增加了7.8%和16.3%.由圖5可知，組合隔震1和組合隔震2的層間位移角比LRB隔震體系的大，隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均出現(xiàn)在第1層或第2層.組合隔震方案的層間剪力和樓層加速度都比LRB隔震體系的大，且組合隔震方案2的樓層加速度增幅比較明顯.由此，可以看出在破裂向前方向性速度脈沖地震動作用下3種隔震結(jié)構(gòu)都已處于輕度破壞狀態(tài)，采用組合隔震體系后，隔震層位移幅值雖有減小，但幅度不大，考慮到對頂層加速度峰值和基底剪力的控制，LRB隔震體系的隔震效果要比組合隔震體系的隔震效果稍好.

2.4 滑沖效應(yīng)的影響

輸入TCU052-EW速度脈沖，圖6為3種隔震方案的層間位移角、樓層加速度和層間剪力.由表2可知，與破裂向前方向性速度脈沖地震動作用相比，滑沖效應(yīng)速度脈沖對LRB隔震和組合隔震建筑地震響應(yīng)的影響更大.LRB隔震結(jié)構(gòu)隔震層最大位移的平均值為289.2 mm，已經(jīng)超過了規(guī)范規(guī)定的容許位移275 mm，隔震結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生失穩(wěn)，采用組合隔震方案2后隔震層的最大位移的均值為222.7 mm，減小了23%.與LRB隔震體系相比，組合隔震1和組合隔震2的頂層峰值加速度分別增加了3%和0.86%，基底最大剪力分別增加了5.2%和7.1%.由圖6可知，與破裂向前方向性速度脈沖地震作用一樣，滑沖效應(yīng)速度脈沖地震作用下組合隔震1和組合隔震2的層間位移角也比LRB隔震體系的大，隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均出現(xiàn)在第1層或第2層，組合隔震方案的層間剪力和樓層加速度也都比LRB隔震體系的大，但幅度不大.由此，可以看出在滑沖效應(yīng)速度脈沖作用下，單獨采用LRB隔震體系的隔震效果較差，采用組合隔震體系后，經(jīng)過隔震方案和隔震參數(shù)的合理選擇，可有效減小隔震層的最大位移，但頂層加速度峰值和基底最大剪力略有增加，組合隔震結(jié)構(gòu)綜合了LRB隔震和FPS隔震的優(yōu)勢，使隔震效果達(dá)到一個更好的水平.

圖5 含破裂向前方向性脈沖地震動作用下隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)值(TCU051－EW)Fig.5 Earthquake response of base-isolated structure under near-fault ground motions with rupture directivity effect (TCU051-EW)

表2 近斷層地震動作用下隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的平均值Tab.2 The earthquake response average of isolation structure subjected to near-fault ground motions

圖6 含滑沖效應(yīng)脈沖地震動作用下隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)值(TCU052－EW)Fig.6 Earthquake response of base-isolated structure under near-faultgroundmotionswithfling-stepeffects (TCU052-EW)

3 結(jié)論

(1)近斷層地震動反應(yīng)譜分析表明，對于短周期結(jié)構(gòu)，向前方向性效應(yīng)脈沖比滑沖效應(yīng)脈沖對結(jié)構(gòu)的破壞性大;對于中長周期結(jié)構(gòu)，滑沖效應(yīng)脈沖比向前方向性效應(yīng)脈沖對結(jié)構(gòu)的破壞性大;含滑沖效應(yīng)的近斷層地震動對周期大于1s的結(jié)構(gòu)會引起較大的位移譜值.

(2)在破裂向前方向性效應(yīng)速度脈沖地震作用下，與LRB隔震結(jié)構(gòu)相比，采用組合隔震體系后，隔震層位移幅值雖有減小，但幅度不大，隔震結(jié)構(gòu)的頂層加速度峰值和基底剪力增幅明顯.考慮到對頂層加速度峰值和基底剪力的控制，LRB隔震體系的隔震效果比組合隔震體系的效果稍好.

(3)在滑沖效應(yīng)速度脈沖地震作用下，與LRB隔震結(jié)構(gòu)相比，組合隔震結(jié)構(gòu)綜合了LRB隔震和FPS隔震的優(yōu)勢，通過對隔震方案和隔震參數(shù)的合理選擇，可以有效減小隔震層的位移，避免上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆破壞，但隔震結(jié)構(gòu)的頂層加速度峰值和基底剪力略有增大.

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Influence of Motion Characteristics of Near-fault Ground Motions on Combined Isolation System Damping Performance

RONG Qiang，WU Dong
(School of Civil Engineering，Yantai University，Yantai 264005 China)

Inputting near-fault seismic records，the effect of rupture forward directivity and fling-step pulse on damping performance of combined isolation system is investigated.Research indicates that the fling-step pulse is more destructive than the rupture forward directivity pulse for combined isolation system.The isolation effect of LRB isolation system is slightly better than the combined isolation system under the rupture forward directivity pulse earthquake.The combined isolation system can reduce effectively the displacement amplitude of isolation layer under the fling-step effect earthquake，but the peak acceleration on the top and the base shear of the isolated structure increase slightly.

near-fault ground motion;combined isolation;rupture forward directivity;fling-step effect;response spectra

TU352.1

A

(責(zé)任編輯 蘇曉東)

1004-8820(2015)03-0213-06

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.03.011

2014-11-09

山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2013EEL020，ZR2013EEQ018，ZR2012EEM014);山東省高等學(xué)校科技計劃項目(J12LG03).

榮強(qiáng)((1975-)，男，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震減震研究.