顏學(xué)淵 毛會敏 祁皚 徐小勇

摘要： 將三維隔震層從地面標高上移至巨子結(jié)構(gòu)（巨型框架子框架結(jié)構(gòu)體系）的各子結(jié)構(gòu)底部，可以解決高層三維隔震結(jié)構(gòu)搖擺反應(yīng)明顯的問題，且整體隔震結(jié)構(gòu)不再受高寬比限值的制約。設(shè)計加工了一個3層巨型框架結(jié)構(gòu)模型，底層大空間，上部含有2個次框架。在2個次框架底部與主框架樓板相連部位安裝4個三維隔震支座；進行了近斷層及遠場罕遇水平地震激勵下，巨子抗震結(jié)構(gòu)和巨子三維隔震結(jié)構(gòu)的地震模擬振動臺對比試驗和數(shù)值分析。結(jié)果表明：巨子三維隔震結(jié)構(gòu)將隔震層上移至次框架底部并未延長結(jié)構(gòu)的基本周期。次框架和主框架的動力響應(yīng)減震效果顯著，近、遠場及場地類型對隔震率沒有明顯影響。由于近斷層地震動的脈沖效應(yīng)及其長周期成分與結(jié)構(gòu)周期更接近，近斷層激勵下次框架和主框架的動力響應(yīng)比相同場地的遠場地震動大10%～20%，Ⅲ類場地近斷層地震激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比Ⅱ類場地大10%～25%。關(guān)鍵詞： 三維隔震； 振動臺試驗； 近斷層； 巨子結(jié)構(gòu)； 減震率

中圖分類號： TU352.1文獻標志碼： A文章編號： 10044523（2017）04064608

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.016

引言

地震動具有多維特性，多次地震實測數(shù)據(jù)表明其豎向加速度分量接近甚至超過水平分量，震害現(xiàn)象亦表明地震動豎向分量對震中區(qū)建筑、高聳結(jié)構(gòu)等建筑物和構(gòu)筑物的破壞起明顯作用。對這些建筑物和構(gòu)筑物進行三維隔震研究已成為當前的研究熱點[13]。實際結(jié)構(gòu)中，受傾覆制約，隔震結(jié)構(gòu)的高寬比不能太大；顏學(xué)淵[45]等通過實驗研究表明，高層結(jié)構(gòu)基底設(shè)置三維隔震抗傾覆裝置能夠起到三維隔震和抗傾覆的作用，但是結(jié)構(gòu)會有明顯搖擺反應(yīng)。若采用巨型框架子結(jié)構(gòu)這種二級結(jié)構(gòu)體系，巨型框架作為主要受力體系，而將三維隔震層從地面標高上移至各子結(jié)構(gòu)的底部，可以解決這個問題，結(jié)構(gòu)的高寬比將不再受隔震支座抗拉能力的限制，也不需設(shè)置抗傾覆裝置。在巨子結(jié)構(gòu)體系的子結(jié)構(gòu)底部設(shè)置三維隔震支座后，對于整個結(jié)構(gòu)體系而言相當于設(shè)置多個多維調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；對于子結(jié)構(gòu)本身則可以多維隔震。因此，外部巨型框架和內(nèi)部子結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)都能得到控制，而巨型框架本身的剛度大，結(jié)構(gòu)的安全有保障。

近年來，已有一些學(xué)者對巨型框架結(jié)構(gòu)的抗震性能及節(jié)點進行研究[67]，但振動控制方法應(yīng)用于巨子結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究不多，且主要是理論與數(shù)值分析[810]，實驗研究很少。巨型框架結(jié)構(gòu)的自振周期較長，且子結(jié)構(gòu)采用了三維隔震技術(shù)，近斷層地震動的脈沖效應(yīng)[1115]對巨型框架及子結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有影響。本文通過振動臺試驗研究巨子三維隔震結(jié)構(gòu)的近斷層地震響應(yīng)。

1模型參數(shù)及試驗準備

試驗在福州大學(xué)的地震模擬振動臺系統(tǒng)上進行。根據(jù)振動臺的臺面尺寸及載荷等確定結(jié)構(gòu)模型的各物理量相似系數(shù)如表1所示。結(jié)構(gòu)模型是一個3層巨型框架，含有3個次框架，從下往上依次為第1，2，3次框架。由于底部大空間的需求，因此在本試驗?zāi)Ｐ椭袥]有設(shè)置第1次框架。結(jié)構(gòu)模型長、寬、高為1.6 m，1.0 m，3.27 m。結(jié)構(gòu)模型各構(gòu)件的尺寸如下：巨型柱為140×10角鋼，巨型主梁為12.6槽鋼，巨型次梁為8槽鋼，次框架柱為60×60×2.5方鋼，次框架梁為40×40×1.5方鋼。結(jié)構(gòu)模型自重1.851 t，質(zhì)量不足部分通過配重滿足：次框架每層配重0.55 t，主框架每層配重0.28 t；總重量為5.991 t。結(jié)構(gòu)模型的實際照片及主、次框架的平、立面圖如圖1所示。在巨子結(jié)構(gòu)的兩個次框架的底部各安裝4個三維隔震支座，即為巨子三維隔震結(jié)構(gòu)。次框架與主框架間設(shè)置15 mm寬的隔震縫（原型結(jié)構(gòu)的隔震縫寬為400 mm，按照長度相似比換算，模型結(jié)構(gòu)的隔震縫寬應(yīng)為13.33 mm，為便于加工組裝，此處取為15 mm）。

根據(jù)表1所示剛度和力的相似系數(shù)及原型結(jié)構(gòu)隔震層參數(shù)計算得到三維隔震支座的力學(xué)參數(shù)，再進行支座幾何參數(shù)設(shè)計及加工；而原型結(jié)構(gòu)隔震層

表1結(jié)構(gòu)模型的相似系數(shù)

Tab.1Similarity coefficients of the model

物理參數(shù)符號計算公式相似系數(shù)長度SL—1/30彈性模量SE—1加速度Sa—1質(zhì)量SmSm=SESL2/Sa1/900速度SvSv=（SLSa）1/2（1/30）1/2位移SuSu=SL1/30應(yīng)力SσSσ=SE1應(yīng)變SεSε=11力SFSF=SESL21/900時間StSt=（SL/Sa）1/2（1/30）1/2剛度SKSK=SESL1/30圖1巨子結(jié)構(gòu)模型（單位：mm）

Fig.1The megasub structure model （Unit： mm）

第4期顏學(xué)淵，等：近斷層水平地震激勵下巨子三維隔震結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗振 動 工 程 學(xué) 報第30卷參數(shù)經(jīng)數(shù)值分析、設(shè)計及驗算得到。三維隔震支座的剖面圖和實物圖如圖2所示，其具體尺寸及力學(xué)性能試驗得到的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2三維隔震支座剖面圖及實物圖

Fig.2Pictures of 3D isolation bearing

如圖3所示，在結(jié)構(gòu)的主框架、次框架及臺面布置了加速度和位移傳感器；隔震時，在次框架底部另布置一個位移計測量隔震層變形。此外，在4個主框架柱底部各安裝一個三向力傳感器，以測量主框架柱的受力。

為研究不同場地類型的近斷層地震動和遠場地震激勵下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，選取來自集集地震不同測站的3條記錄作為振動臺試驗時的輸入。由于振

表2三維隔震支座參數(shù)

Tab.2Parameters of 3D isolation bearing

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值剪切模量/MPa0.392橡膠總高/mm19.7（16.5）橡膠外徑/mm105鋼板總高/mm2.0×1中孔直徑/mm10水平剛度/（N·mm-1）128（149）總高度/mm42豎向剛度/（kN·mm-1）6.22（9.71）注：括號內(nèi)數(shù)值為第3次框架隔震支座的參數(shù)

圖3傳感器布置圖

Fig.3Layout drawing of sensors

動臺不能輸入豎向地震動，因此試驗時，地震動的輸入方向為水平X向，加速度幅值為7度（0.15g）罕遇310 gal。地震記錄的詳細參數(shù)如表3所示。

表3試驗用地震記錄

Tab.3Ground motions for the test

測站場地類型斷層距/km分量間隔/sPGA/galPGV/（cm·s-1）PGV/PGAChiChi2NTCU056Ⅱ類近斷層10.48WE0.005153.2342.860.28ChiChi2FTAP042Ⅱ類遠場106.48WE0.00594.9112.340.13ChiChi3NTCU110Ⅲ類近斷層11.58WE0.005187.9648.720.26注：記錄名稱后綴“2，3”表示“Ⅱ，Ⅲ類場地”；“N，F(xiàn)”表示“近斷層、遠場”

先通過白噪聲掃頻試驗獲得兩種結(jié)構(gòu)模型的基本周期為0.463 s和0.467 s，表明與基礎(chǔ)隔震相比較，由于設(shè)置隔震層的形式不同，減震機理不同，將隔震層上移至次框架底部并未延長整個結(jié)構(gòu)的基本周期。

2次框架動力響應(yīng)〖2〗2.1次框架加速度響應(yīng)次框架作為巨子結(jié)構(gòu)體系的組成部分，是體系中主要的工作和生活空間，次框架的安全性和舒適性是結(jié)構(gòu)振動控制的主要目的。地震動加速度從地面向上傳遞，經(jīng)主框架放大后傳遞給次框架，次框架設(shè)置三維隔震層后，由于隔震層的濾波和消能作用，次框架的地震響應(yīng)較未隔震時減小。從形式上和機理上，對于次框架本身而言，它是一個基底隔震結(jié)構(gòu)。

7度（0.15g）罕遇地震激勵下巨子抗震結(jié)構(gòu)和巨子三維隔震結(jié)構(gòu)（以下分別簡稱為抗震結(jié)構(gòu)和三維隔震結(jié)構(gòu)）2個次框架每層的加速度響應(yīng)及隔震率表4所示。限于篇幅，僅畫出抗震結(jié)構(gòu)和三維隔震結(jié)構(gòu)第2次框架頂層的加速度響應(yīng)時程，如圖4所示。

表4次框架加速度響應(yīng)及隔震率（單位：m/s2）

Tab.4Acceleration responses and isolation effects of substructures （Unit： m/s2）

地震動

樓層ChiChi2NChiChi2FChiChi3N3層2層1層3層2層1層3層2層1層第3次框架抗震4.283.012.713.862.772.435.234.433.68三維隔震2.231.991.712.011.821.542.622.382.01隔震率47.9%33.89%36.9%47.93%34.3%36.63%49.9%46.28%45.38%第2次框架抗震5.243.902.784.763.222.536.264.543.13三維隔震2.562.061.862.231.961.622.842.542.09隔震率51.15%47.18%33.09%53.15%39.13%35.97%54.63%44.05%33.23%圖4第2次框架頂層加速度響應(yīng)時程

Fig.4Acceleration time histories of top of the 2nd substructure

后文的減震率或隔震率定義為減/隔震率=Ra-R3DRa×100%式中Ra為抗震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)；R3D為三維隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

從表4和圖4數(shù)據(jù)可以看出，在近斷層地震動和遠場地震動激勵下，隔震層對2個次框架的加速度響應(yīng)都具有明顯的隔震效果，隔震率不小于33.09%，最大值達54.63%。由于近斷層地震動的脈沖效應(yīng)，在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，次框架各層的加速度響應(yīng)都比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大10%左右，但隔震率較為相近。由于Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動的長周期成分與結(jié)構(gòu)基本周期更接近，使得在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的次框架各層加速度響應(yīng)明顯比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下來的大，約10%～50%，尤其是抗震結(jié)構(gòu)的第3次框架，增大更明顯；隔震率略有增大，特別是第3次框架的1，2層。第2次框架的各層加速度響應(yīng)都大于第3次框架，但2個次框架的隔震率除個別樓層外，都較為接近。

2.2次框架頂層位移響應(yīng)

地震激勵下2個次框架的頂層位移響應(yīng)峰值及隔震率列于表5。圖5為第2次框架的頂層位移響應(yīng)時程。

表5次框架頂層位移響應(yīng)及隔震率（單位：mm）

Tab.5Displacement responses and isolation effects of top of substructures （Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N第3次框架抗震3.813.384.38三維隔震1.671.381.93隔震率56.17%59.17%55.94%第2次框架抗震4.583.944.96三維隔震1.861.561.94隔震率59.39%60.41%60.89%圖5第2次框架頂層位移響應(yīng)時程

Fig.5Displacement time histories of top of the 2nd substructure

從表5和圖5數(shù)據(jù)可知，在3條地震動激勵下，隔震層對2個次框架的頂層位移響應(yīng)都具有顯著的隔震效果，隔震率不小于55.94%，最大值達60.89%。在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，次框架的頂層位移響應(yīng)比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大15%左右，說明近斷層地震動的脈沖效應(yīng)加劇了次框架的位移響應(yīng)；在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的次框架頂層位移響應(yīng)明顯比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下來的大，且第3次框架增大更明顯，由于Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動的長周期成分與結(jié)構(gòu)基本周期更接近，使得次框架的位移響應(yīng)增加，但是隔震率沒有受到影響。2個次框架的隔震率沒有明顯差異，但第2次框架的位移響應(yīng)一般要大于第3次框架，尤其是抗震結(jié)構(gòu)。

2.3隔震層位移響應(yīng)

罕遇地震下的隔震層位移關(guān)系到結(jié)構(gòu)整體安全，位移響應(yīng)值需小于隔震縫的寬度。地震激勵下2個隔震層的位移響應(yīng)幅值如表6所示。從表6可知，近斷層地震激勵下的隔震層位移響應(yīng)比遠場地震大30%左右，且在Ⅲ類場地近斷層地震激勵下的隔震層位移響應(yīng)比在Ⅱ類場地近斷層地震激勵下大10%左右。隔震層位移最大值為5.58 mm，未達到15 mm的隔震縫寬；試驗中，次框架沒有與主框架發(fā)生碰撞，結(jié)構(gòu)安全。

表6次框架隔震層位移響應(yīng)（單位：mm）

Tab.6Displacement responses of isolation layers

（Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N第3次框架5.233.865.58第2次框架4.643.645.143主框架動力響應(yīng)〖2〗3.1主框架加速度響應(yīng)地震激勵下，主框架3個結(jié)構(gòu)層的加速度響應(yīng)峰值及減震率列于表7。主框架頂層的加速度響應(yīng)時程如圖6所示。

從表7和圖6數(shù)據(jù)可知，3條地震動激勵下，隔震次框架對主框架的加速度響應(yīng)具有明顯的調(diào)諧減震效果，減震率不小于28.98%，最大值達34.01%。前述在不同特性地震動激勵下，次框架的響應(yīng)規(guī)律對于主框架的地震響應(yīng)仍然適用：在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，主框架的加速度響應(yīng)比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大10%左右；在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的主框架加速度響應(yīng)比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動大20%左右，但是減震率沒有明顯變化。3個結(jié)構(gòu)層中，中間層的加速度響應(yīng)較小，頂層的加速度響應(yīng)減震效果好一些。

表7主框架加速度響應(yīng)及減震率（單位：m/s2）

Tab.7Acceleration responses and controlled effects of main structure beams （Unit： m/s2）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N頂層抗震6.886.188.01三維隔震4.544.085.41減震率34.01%33.98%32.46%中間層抗震4.324.035.56三維隔震3.012.733.84減震率30.32%32.26%30.94%底層抗震5.284.846.51三維隔震3.753.344.45減震率28.98%30.99%31.64%圖6主框架頂層加速度響應(yīng)時程

Fig.6Acceleration time histories of top of the main structure

3.2主框架位移響應(yīng)

地震激勵下，主框架各層的位移響應(yīng)峰值及調(diào)諧減震率列于表8。限于篇幅，同樣僅畫出頂層主框架梁的位移響應(yīng)時程，如圖7所示。

表8主框架梁位移響應(yīng)及減震率（單位：mm）

Tab.8Displacement responses and controlled effects of main structure beams （Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N頂層抗震9.838.1212.23三維隔震6.645.898.33減震率32.45%27.46%31.89%中間層抗震6.545.497.53三維隔震4.233.835.01減震率35.32%30.24%33.47%底層抗震4.223.534.77三維隔震2.832.543.34減震率32.94%28.05%29.98%從表8和圖7數(shù)據(jù)可知，在3條地震動激勵下，隔震次框架對主框架梁位移響應(yīng)都具有明顯的調(diào)諧減震效果，減震率不小于27.46%，最大值達35.32%。與前述主框架的加速度響應(yīng)規(guī)律相似：在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，主框架的位移響應(yīng)及調(diào)諧減震率都明顯比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大，抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大約20%，三維隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大約10%，說明近斷層地震的脈沖效應(yīng)加劇了主框架的位移響應(yīng)；在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的主框架位移響應(yīng)明顯比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下來的大，約13%～26%，但是減震率沒有明顯影響，3個結(jié)構(gòu)層中，中間層主框架梁位移響應(yīng)的減震效果更好。

3.3主框架基底剪力

3條不同特性地震動激勵下，主框架柱底部剪力時程如圖8所示，抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值分別為18.02，15.14，20.26 kN，三維隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值分別為11.46，10.46，13.14 kN，減震率達36.40%，30.91%，35.14%，減震效果明顯且相差不大。同主框架的加速度和位移響應(yīng)規(guī)律一樣，近斷層地震激勵下的基底剪力響應(yīng)比遠場地震大10%～20%，且Ⅲ類場地地震動激勵下比Ⅱ類場地地震動大13%左右。

4數(shù)值分析

利用ETABS有限元軟件對振動臺試驗?zāi)Ｐ瓦M圖7主框架頂層位移響應(yīng)時程

Fig.7Displacement time histories of top of the main structure

圖8巨型框架基底剪力響應(yīng)時程

Fig.8Base shear time histories of the main structure

表9數(shù)值分析用地震記錄

Tab.9Ground motions for the numerical analysis

名稱場地類型測站分量斷層距/km脈沖周期/s間隔/sPGA/（gal）PGV/（cm·s-1）PGV/PGA2N1

2N2

2N3Ⅱ類近斷層TCU049

TCU051

TCU0533.76

7.64

5.9510.22

10.38

13.12273.44

157.46

225.0463.52

53.82

67.290.23

0.34

0.302F1

2F2

2F3Ⅱ類遠場TAP032

TAP051

TAP103WE94.84

103.46

116.02/

/

/0.005

108.26

111.34

120.5818.31

15.32

15.880.17

0.14

0.133N1

3N2

3N3Ⅲ類近斷層CHY101

CHY036

CHY0249.94

16.04

9.765.34

5.13

4.57333.20

267.37

257.1184.46

62.55

66.760.25

0.24

0.26注：記錄名稱中“N，F(xiàn)”表示“近斷層、遠場”，前綴“2，3”表示“Ⅱ，Ⅲ類場地”，后綴“1，2，3”表示數(shù)量編號。

行建模：定義了第1節(jié)所述的模型構(gòu)件截面及常用的鋼材材料屬性；采用連接單元Isolator 1模擬支座，兩水平向設(shè)置為非線性，豎向為線性，相應(yīng)參數(shù)參考表2進行設(shè)置。數(shù)值分析得到的抗震結(jié)構(gòu)和三維隔震結(jié)構(gòu)的基本周期為0.492 s和0.529 s，與試驗結(jié)果誤差為5.9%和11.7%。為進一步驗證振動臺試驗的分析結(jié)論，本節(jié)依照振動臺試驗工況；另外選取自集集地震的每個場地3條地震動，地震動參數(shù)如表9所示，進行水平地震激勵下的數(shù)值分析。

圖9和10分別為9條地震動作用下，結(jié)構(gòu)體系的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)；每個圖都包括了主框架和次框架的響應(yīng)；橫坐標為樓層，其中M表示主框架樓層，S表示次框架樓層。圖例中的un表示抗震結(jié)構(gòu)（即無控結(jié)構(gòu)），con表示三維隔震結(jié)構(gòu)（即有控結(jié)構(gòu)）。從圖中仍可以看到前述振動臺試驗結(jié)果分析的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律：隔震效果和調(diào)諧減振效果明顯；同類場地的近斷層地震動作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比遠場來得大；在Ⅲ類場地近斷層地震動作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比Ⅱ類場地大；第2次框架的響應(yīng)一般大于第3次框架等。

圖9結(jié)構(gòu)體系加速度響應(yīng)

Fig.9Acceleration responses of the structures

圖10結(jié)構(gòu)體系位移響應(yīng)

Fig.10Displacement responses of the structures5結(jié)論

本文通過振動臺對比試驗研究在次框架底部設(shè)置三維隔震之后，巨子結(jié)構(gòu)的近斷層和遠場地震響應(yīng)，得到以下幾點結(jié)論：

（1） 與基礎(chǔ)隔震相比，由于設(shè)置隔震層的形式不同，減震機理不同，巨子三維隔震結(jié)構(gòu)將隔震層上移至次框架底部并未延長結(jié)構(gòu)的基本周期。

（2） 由于近斷層地震動的脈沖效應(yīng)，近斷層地震動激勵下次框架和主框架的動力響應(yīng)比相同場地的遠場地震動大10%～20%。

（3） 由于近斷層地震動的長周期成分與結(jié)構(gòu)基本周期更接近，在Ⅲ類場地近斷層地震動激勵下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)比Ⅱ類場地近斷層地震動大10%～25%。

（4） 三維隔震層對次框架的水平地震響應(yīng)具有顯著的隔震效果，近、遠場及場地類型對隔震率沒有明顯影響；位次較低的第2次框架的動力響應(yīng)大于第3次框架；罕遇地震激勵下的隔震層位移幅值小于隔震縫寬，試驗中的主、次框架未碰撞。

（5） 三維隔震次框架對主框架的水平地震響應(yīng)具有明顯的調(diào)諧減震效果，近、遠場及場地類型對其減震率沒有明顯影響。

（6） 由于試驗條件所限，未進行三維地震激勵下的地震模擬振動臺試驗，后續(xù)將對其進行相關(guān)數(shù)值計算。水平地震激勵下的數(shù)值分析表明，試驗得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律具有普遍性。

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