金建敏，譚平，陳鵬，黃襄云，陳建秋

（廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣州510405）

黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

金建敏，譚平，陳鵬，黃襄云，陳建秋

（廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣州510405）

層間隔震結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)展與延伸，作為一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理不一定完全適合，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期可能無法同時(shí)降低上、下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。此類體系以往的理論及試驗(yàn)研究，隔震層的阻尼多由鉛芯橡膠支座提供，采用天然橡膠支座及黏滯阻尼器作為隔震層，進(jìn)行了層間隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了一個(gè)4層的鋼框架模型，依次進(jìn)行了基礎(chǔ)固接、基礎(chǔ)隔震、1層頂隔震、2層頂隔震及3層頂隔震的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，測(cè)定結(jié)構(gòu)的加速度、層間位移及層剪力系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構(gòu)具有良好的減震效果。建立了層間隔震結(jié)構(gòu)的有限元模型，將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

層間隔震結(jié)構(gòu)；天然橡膠支座；黏滯阻尼器；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；有限元分析

Key works：Mid-story isolation；Linear natural rubber bearing；Viscous dampers；Shaking table test；Finite element analysis

0 引言

作為被動(dòng)控制技術(shù)的分支，隔震技術(shù)因其在歷次大地震中的卓越表現(xiàn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)結(jié)構(gòu)減震技術(shù)[1]。特別是我國(guó)5.12汶川大地震后，隔震技術(shù)的優(yōu)越性也逐步被工程界所認(rèn)識(shí)和接受，目前，隔震技術(shù)的主要應(yīng)用為基礎(chǔ)隔震，即隔震層設(shè)在基礎(chǔ)頂面或地下室底部。層間隔震體系是在基礎(chǔ)隔震體系的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，隔震層設(shè)在地下室頂部或地面以上的樓層，其振動(dòng)特性同時(shí)受到隔震層以上的上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)的影響。層間隔震結(jié)構(gòu)的研究主要在日本與我國(guó)，小林正人，洪忠憙等以上、下結(jié)構(gòu)質(zhì)量比及屈重比為指標(biāo)對(duì)一15層的層間隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性及地震響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，研究表明，該結(jié)構(gòu)存在最優(yōu)質(zhì)量比及屈重比[2]；小野三千代、寺本隆幸對(duì)一10層隔震模型（四層頂層間隔震）進(jìn)行了隔震支座的應(yīng)力變化范圍的分析，以考察層間隔震結(jié)構(gòu)由于隔震支座過大的拉應(yīng)力導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傾覆的問題[3]。2000年開始，周福霖等對(duì)北京通惠家園進(jìn)行了層間隔震研究。通惠家園住宅小區(qū)建在北京地鐵平臺(tái)上（2層、鋼筋混凝土框架），隔震層設(shè)置于大平臺(tái)頂部與上部9層住宅之間，平臺(tái)上部的九層住宅水平地震作用由8度降為7度；下部平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基底剪力也下降20%以上，既提高了上部結(jié)構(gòu)的抗震安全性，又減少了對(duì)下部平臺(tái)結(jié)構(gòu)的地震作用[4、5]。黃襄云及祁皚分別采用鉛芯橡膠支座進(jìn)行了層間隔震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[6、7]。既往研究的隔震層的阻尼多由鉛芯橡膠支座提供，對(duì)于隔震層阻尼由黏滯阻尼器提供的相關(guān)研究相對(duì)較少。

1 模型設(shè)計(jì)及隔震裝置介紹

設(shè)計(jì)一個(gè)4層的鋼框架模型，該鋼框架由1個(gè)1層模型（有柱腳拉梁）、1個(gè)1層模型（無柱腳拉梁）、1個(gè)2層模型（無柱腳拉梁）構(gòu)成。通過這三個(gè)模型的組裝進(jìn)行基礎(chǔ)固接及隔震層分別設(shè)置在1層底、1層頂、2層頂、3層頂?shù)恼駝?dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，組裝后的鋼框架為四層模型，平面尺寸為1×1.6 m，層高為1 m，梁、柱截面尺寸均為HW100× 100×6×8mm(高×寬×腹板厚×翼緣厚），樓板采用12 mm厚的鋼樓板，該模型X向高寬比為4。隔震層采用4個(gè)直徑為90 mm的天然橡膠支座（LNR90，橡膠剪切彈性模量為0.392 MPa，內(nèi)部橡膠15×1.2mm，實(shí)測(cè)的豎向剛度，等效剛度均值分別為157 kN/mm，0.155 kN/mm）；2個(gè)隔震用黏滯阻尼器（設(shè)計(jì)黏滯阻尼系數(shù)C為4 550N/（m·s-1）α，α=0.3，設(shè)計(jì)最大阻尼力為287 kg，最大行程為± 50 mm，分別以0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、2.5 Hz頻率，進(jìn)行了±20mm行程的測(cè)試，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，見圖1，實(shí)測(cè)的黏滯阻尼系數(shù)C為4 700 N/（m*s-1）α。表1為模型與原型的相似關(guān)系。模型結(jié)構(gòu)自重為2 465kg，根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的承載能力，取模型各層配重為2 420 kg，模型配重共5層，其中4層采用混凝土塊，隔震層采用鉛塊（高度限制，無法采用混凝土塊）。

圖1 阻尼器阻尼系數(shù)Fig.1 Damping coefficientof viscous dampers

表1 相似關(guān)系Table 1 Sim ilarity relation

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)工況及量測(cè)系統(tǒng)布置

進(jìn)行了黏滯阻尼器層間隔震模型（為簡(jiǎn)潔表達(dá)，將天然橡膠支座+黏滯阻尼器層間隔震模型簡(jiǎn)稱為黏滯阻尼器層間隔震模型）的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分為基礎(chǔ)隔震、1層頂隔震、2層頂隔震及3層頂隔震；圖2～4為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)的模型。輸入地震波為El Centro NS波、Taft EW波及兩條與抗震規(guī)范加速度反應(yīng)譜相吻合的人工波（場(chǎng)地特征周期為0.4 s），輸入加速度峰值為0.2 g及0.408 g（8度設(shè)防烈度地震及罕遇地震），輸入方向?yàn)閄向。使用丹麥產(chǎn)傳感器測(cè)定各層加速度和位移，布置在各層的中心點(diǎn)。在隔震模型試驗(yàn)時(shí)，在隔震層布置了2個(gè)激光傳感器（分別沿X向布置在模型的對(duì)角點(diǎn)），用于測(cè)定X向隔震層層間位移，采用4個(gè)日本產(chǎn)三維力傳感器，測(cè)定隔震支座在地震作用下的三向力變化情況。

圖2 基礎(chǔ)固接Fig.2 Fixed-base

圖3 基礎(chǔ)隔震Fig.3 Base Isolation

圖4 2層頂隔震Fig.4 Isolated on the top of the second story

2.2動(dòng)力特性

表2為白噪聲輸入時(shí)（0.05 g，0.1～40 Hz），黏滯阻尼器層間隔震模型的X向前三階周期，括號(hào)內(nèi)為計(jì)算周期，隔震層剛度采用天然橡膠支座的等效剛度。由實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)固接模型周期換算的原型周期為1.143 s，實(shí)測(cè)的隔震模型周期比橡膠支座等效剛度對(duì)應(yīng)的周期偏短，這是因?yàn)椋孩傩∽冃螘r(shí)橡膠支座等效剛度比100%變形時(shí)的剛度偏大；②黏滯阻尼器內(nèi)部氣泡及摩擦產(chǎn)生的內(nèi)部剛度[8]。

2.3加速度反應(yīng)

圖5給出了8度中、大震輸入時(shí)隔震與基礎(chǔ)固接模型加速度包絡(luò)圖，由結(jié)果分析可知：

與基礎(chǔ)固接結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震與層間隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)加速度均可以減小。8度中震時(shí)，基礎(chǔ)隔震、1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的上部結(jié)構(gòu)頂層加速度平均值分別為基礎(chǔ)固接結(jié)構(gòu)的32.6%、46.2%、45.3%、50.4%；8度大震時(shí)，基礎(chǔ)隔震、1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的上部結(jié)構(gòu)頂層加速度平均值分別為基礎(chǔ)固接結(jié)構(gòu)的21.7%、35.4%、35.0%、43.8%。

表2 模型周期Table 2 Period of the experimentalmodel

圖5 加速度包絡(luò)圖圖5 Acceleration response envelope

與基礎(chǔ)固接結(jié)構(gòu)相比，除El Centro波中、大震及人工波1中震輸入外，單條波輸入及四條波結(jié)果平均后，下部結(jié)構(gòu)頂層加速度均有所減小。8度中震時(shí)，1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的下部結(jié)構(gòu)頂層加速度平均值分別為基礎(chǔ)固接結(jié)構(gòu)的70.9%、96.6%、89.5%；8度大震時(shí)，1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的下部結(jié)構(gòu)頂層加速度平均值分別為基礎(chǔ)固接結(jié)構(gòu)的82.8%、92.5%、86.3%；下部結(jié)構(gòu)加速度減震效果受到地震波幅值、頻譜特性、隔震層的位置、隔震前結(jié)構(gòu)特性等因素的

2.4層間位移反應(yīng)

表3為隔震前后的各層最大層間位移角，表4為隔震層最大層間位移。8度中震時(shí)，基礎(chǔ)固接模型最大層間位移角為1/168，各種隔震型式模型最大層間位移角為1/335。8度大震時(shí)，基礎(chǔ)固接模型最大層間位移角為1/97，各種隔震型式模型最大層間位移角為1/198。與基礎(chǔ)固接模型對(duì)比，隔震后模型的最大層間位移角均有所減少，基礎(chǔ)固接模型在8度中震時(shí)即已進(jìn)入彈塑性，層間位移角超過《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）的1/ 250的彈性層間位移角限值。8度大震輸入時(shí)，基礎(chǔ)固接模型的最大層間位移角已超過1/100，而隔震模型的最大層間位移角接近1/200，隔震效果明顯。從隔震層層間位移可見，隔震模型的隔震層層間位移明顯大于其它層，結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層，隔震層層間位移受到地震波幅值、頻譜特性的影響，隨隔震層位置的上移變化較?。ㄋ臈l波平均后）。

2.5層剪力系數(shù)

8度中震、大震時(shí)，隔震模型與基礎(chǔ)固接模型的層剪力系數(shù)的比值見表5，從層剪力系數(shù)的比值可見，與基礎(chǔ)固接模型相比，隔震層位置不同的隔震模型，層剪力系數(shù)均得到有效降低，基礎(chǔ)隔震效果顯著，隨著隔震層位置的提高，上、下部結(jié)構(gòu)的層剪力系數(shù)比值的整體平均值均呈現(xiàn)提高的趨勢(shì)。

表3 層間位移角（1/rad）Table 3 M aximum story drift angle（1/rad）

表4 隔震層最大層間位移（mm）Table 4 M aximum story displacement of isolation layer（mm）

3 有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

采用SAP2000建立天然橡膠支座+黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，黏滯阻尼器模型采用Maxwell模型。有限元分析采用8度大震X向輸入Taft波和人工波1時(shí)臺(tái)面響應(yīng)的值作為輸入波，表6為有限元分析和試驗(yàn)的隔震層最大層間位移對(duì)比，圖6為人工波1部分工況的加速度時(shí)程、隔震層層間位移時(shí)程對(duì)比。分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較，實(shí)測(cè)加速度偏大，誤差在25%以內(nèi)；隔震層最大層間位移誤差較小。比較可見，有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

本文采用天然橡膠支座及黏滯阻尼器作為隔震層，對(duì)層間隔震模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究及有限元分析，主要結(jié)論為：

（1）天然橡膠支座+黏滯阻尼器層間隔震可明顯降低隔震前周期為1 s左右結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

表5 層剪力系數(shù)的比值Table 5 The ratio of story shear force coefficient

表6 隔震層最大層間位移對(duì)比（mm）Table 6 Comparison of themaximum story displacement of isolation layer（mm）

圖6 時(shí)程對(duì)比Fig.6 Comparison of time-history

（2）與基礎(chǔ)固接結(jié)構(gòu)相比，除部分地震波輸入時(shí)下部結(jié)構(gòu)的加速度外，隔震結(jié)構(gòu)的加速度、層間位移及層剪力系數(shù)等地震響應(yīng)均得到有效降低，基礎(chǔ)隔震效果最為顯著，隨著隔震層位置的提高隔震效果降低，尤其是隔震層位于結(jié)構(gòu)中上部的3層頂隔震，隔震效果較差。

（3）有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，加速度峰值有較好的近似，隔震層最大層間位移誤差較小，時(shí)程曲線吻合較好。

采用天然橡膠支座及黏滯阻尼器作為隔震層的層間隔震結(jié)構(gòu)可起到降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的作用，但采用該類隔震層，應(yīng)另設(shè)置抗風(fēng)裝置以起到抗風(fēng)的作用。

[1]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[2]小林正人，洪忠熹ほか.中間層免震建物の振動(dòng)特性と地震応答性狀[C]//日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集，2000，B-2（9）：551-552.

[3]小野三千代，寺本隆幸.中間層免震建物における免震層の軸方向変動(dòng)[C]//日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集，2002，B-2（8）：451-452.

[4]Tan P.，Zhou F.L，Xu Z.G.Design and application examples of public and regular apartment buildings using a new isolation system in P.R.China[C]//Proceedings of the7th International Seminar Assisi，Italy，2001（1）：702-707.

[5]徐忠根，周福霖.底部二層框架上部多塔樓底隔震數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2005，25（1）：126-132.

[6]Xiangyun Huang，F(xiàn)ulin Zhou，Sheliang Wang，et al. Experimental Investigation on Mid-Story Isolated Structures[C]//The 2011 International conference on Structures and Buildings Materials，Guangzhou，P.R. China，2011（1）：4 014-4 021.

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[8]日本隔震結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)編，蔣通，馮德民譯校.被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

Shaking Table Test Study on M id-story Isolation Structures w ith Viscous Dam pers

JIN Jianmin，TAN Ping，CHEN Peng，HUANG Xiangyun，CHEN Jianqiu

（Earthquake Engineering Research&TestCenter，Guangzhou University，Guangzhou 510405，China）

Mid-story isolation structure is developing from base isolation structures.As a complex structural system,the work mechanism of base isolation structure is not entirely appropriate for mid-story isolation structure,and the prolonging of structural natural period may not be able to decrease the seismic response of substructure and superstructure simultaneously.In the previous theoretical and experimental studies,the damping of isolation layer wasmostly provided by lead rubber bearings.In this paper,using natural rubber bearings and viscous dampers as the isolation layer，the shaking table test for amid-story isolation structure was conducted. For a four-story steel frame model,the locations of isolation layer are set at bottom of the first story,top of the first story，top of the second story or top of the third story in turn.Changing the location of isolation layer, acceleration，story displacement and story shear force coefficientweremeasured.The results show thatmid-storyisolation with viscous dampers has a good seismic reduction effectiveness．The finite elementmodel of amid-story isolation system was established，and the comparison between the finite element analysis results and test results was conducted．

TU352.12

A

1001-8662（2016）04-0091-06

10.13512/j.hndz.2016.04.014

金建敏，譚平，陳鵬，等.黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].華南地震，2016，36（4）：91-96.[JIN Jianmin，TAN Ping，CHEN Peng，et al.Shaking Table Test Study on Mid-story Isolation Structures with Viscous Dampers[J].South china journal of seismology，2016，36（4）：91-96.]

2016-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金（51468050）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51478131）、廣州市高校科研重點(diǎn)項(xiàng)目（1201610135）

金建敏（1973-），男，高工，博士，主要從事隔震、抗震研究.

E-mail：jinjianmin152@aliyun.com.