吳巧云 劉梓良 閆慧超 何宛澄 朱宏平

摘要：提出了一種分段隔震結(jié)構(gòu)與相鄰結(jié)構(gòu)連接耗能的新型混合被動(dòng)控制體系。與單一的減隔震體系相比，這種新體系將隔震與阻尼器耗能結(jié)合在一起，對(duì)不同頻域地震動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入不同頻域的地震動(dòng)，研究了分段隔震結(jié)構(gòu)中問(wèn)隔震層位置變化對(duì)隔震效果的影響。最后將有限元數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明：長(zhǎng)周期地震波對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的位移、加速度的影響相較于其他頻域地震動(dòng)更為顯著，會(huì)使隔震支座超限的可能性增大;中問(wèn)隔震層位于結(jié)構(gòu)豎向靠中部位置時(shí)結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力響應(yīng)最小;混合被動(dòng)控制體系可以有效解決高層減隔震結(jié)構(gòu)目前所存在的位移超限、結(jié)構(gòu)整體傾覆等問(wèn)題，對(duì)不同頻域地震波激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)均有更為優(yōu)越的控制效果。

關(guān)鍵詞：隔震結(jié)構(gòu);相鄰結(jié)構(gòu);混合被動(dòng)控制;分段隔震;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);中問(wèn)隔震層

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.1;TU973.3+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：10044523（ 2022）01-0001-12

DOI： 10.1638 5/j .cnki.issn.10044523.2022.01.001

引 言

現(xiàn)代城市中，由于人口密度提高、土地資源日益減少等原因，存在大量緊密排列的多層、高層建筑群，這些多高層建筑大多存在個(gè)體差異或建造期先后不一，缺乏整體設(shè)計(jì)，導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)單體動(dòng)力特征存在顯著不同，以至于無(wú)法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的協(xié)調(diào)（非同步振動(dòng)）。當(dāng)相鄰的建筑結(jié)構(gòu)間防震縫寬度達(dá)不到振動(dòng)隔離的限值時(shí)，結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生碰撞[1]。而這其中，最為典型的是采用隔震技術(shù)的高層建筑物在地震作用下（尤其是長(zhǎng)周期地震動(dòng)）的水平位移可能會(huì)遠(yuǎn)大于相鄰非隔震建筑，使得碰撞的可能性急劇增加[2]。這時(shí)，如果將隔震結(jié)構(gòu)與相鄰的非隔震結(jié)構(gòu)通過(guò)被動(dòng)耗能減震裝置連成新型混合控制體系，優(yōu)化體系的控制參數(shù)，就可以結(jié)合隔震和減震的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)合抑制或減小其相鄰結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，達(dá)到相互控制的目的。而且，隔震和被動(dòng)耗能減震的機(jī)理不同，相比單一類(lèi)型的被動(dòng)控制裝置，將這兩種不同類(lèi)型的被動(dòng)控制裝置適當(dāng)混合，可能會(huì)在更寬的頻域范圍內(nèi)降低地震激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)的危害[3]。

在隔震系統(tǒng)中，通常以犧牲隔震層的較大位移為代價(jià)，使結(jié)構(gòu)的附加加速度降低。為了滿(mǎn)足這種位移需求，設(shè)計(jì)者必須提供較大的水平隔離縫。但是對(duì)于要求設(shè)置的水平隔離縫有限的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)使基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用受到限制[4]。層間隔震作為一種解決方案，可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中增加附加層而不顯著增加現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的側(cè)向力需求[5-6]，解決了隔震技術(shù)在高層建筑上應(yīng)用的某些局限性。

2003年9月26日，在日本十勝近海發(fā)生了8.0級(jí)地震，距震中約250 km的苫小牧市內(nèi)發(fā)生了石油油罐火災(zāi)，主要是由于罐內(nèi)液體晃動(dòng)的白振周期（ 5-12 s）與地面震動(dòng)的特征周期（7-8 s）相近[7]，從而引起了共振現(xiàn)象。2011年?yáng)|日本大地震中，中日聯(lián)合考察團(tuán)[8]同樣發(fā)現(xiàn)大阪某長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，距離震源770 km，由于建筑物和地基卓越周期接近而發(fā)生共振，使得其地震反應(yīng)和距震源100 km的仙臺(tái)差不多。趙益彬等[9]對(duì)某有工程背景的高層隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了長(zhǎng)周期地震動(dòng)下的響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)“在長(zhǎng)周期地震作用下，高層隔震結(jié)構(gòu)在小震和大震下都很難滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求”。吳應(yīng)雄等[10]通過(guò)對(duì)某高層隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行在近、遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下的研究，發(fā)現(xiàn)“遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)明顯大于普通周期地震動(dòng);近場(chǎng)脈沖長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)減震效果較差，隔震層位移明顯大于位移容許值”。

包含被動(dòng)耗能系統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)周期和長(zhǎng)持時(shí)地震動(dòng)的控制效果卻是十分有效的[11-13]，但是它們未必對(duì)脈沖式地震動(dòng)（尤其是高頻脈沖）有效[14-17]。這是由于脈沖型近斷層地震具有明顯的長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間脈沖，因此與非脈沖型近斷層和遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比，它們可以在基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中引起更大的變形[17]。Xu等[16]的研究指出，被動(dòng)耗能裝置的性能與脈沖激勵(lì)的周期密切相關(guān)，當(dāng)脈沖周期小于結(jié)構(gòu)白振周期時(shí)（高頻脈沖），被動(dòng)耗能裝置有可能會(huì)放大結(jié)構(gòu)的位移、加速度和輸入能。Ge等[17]曾對(duì)連接被動(dòng)耗能裝置的相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)近斷層地震作用下的控制性能分析，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)速度脈沖作用時(shí)，結(jié)構(gòu)第一個(gè)響應(yīng)峰值最大，此時(shí)阻尼器對(duì)峰值的削弱作用并不明顯。吳巧云等[18-19]在對(duì)連接耗能裝置的相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行近斷層地震作用下的易損性分析時(shí)也曾發(fā)現(xiàn)：當(dāng)相鄰結(jié)構(gòu)處于生命安全極限狀態(tài)時(shí)，阻尼器具有一定的控制效果;但當(dāng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)超過(guò)此極限時(shí)，連接阻尼器有可能反而會(huì)放大相鄰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。這是因?yàn)檫@些帶有被動(dòng)耗能裝置的結(jié)構(gòu)不一定能即時(shí)、有效地抵抗脈沖型地震動(dòng)（如近斷層地震動(dòng)）的沖擊輸入，其耗能作用需要滯回運(yùn)動(dòng)才能體現(xiàn)。

以上兩個(gè)問(wèn)題的解決在減隔震設(shè)計(jì)領(lǐng)域備受關(guān)注[20-22]。本文提出一種混合減隔震體系，該體系將層間隔震建筑與另一個(gè)非隔震相鄰建筑用阻尼器（油阻尼器、黏滯或黏彈性阻尼器等）連接，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)重點(diǎn)研究改變中間隔震層布置位置對(duì)結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)控制效果的影響，并采用數(shù)值模擬予以驗(yàn)證。隔震建筑物易受長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響，而阻尼器連接的相鄰建筑物易受高頻脈沖地震動(dòng)的影響，采用該混合被動(dòng)控制體系的建筑物對(duì)兩種類(lèi)型的地面運(yùn)動(dòng)都是有效的，使該結(jié)構(gòu)體系能更加安全地適用于頻域更廣的地震地面運(yùn)動(dòng)。

1 減隔震裝置的力學(xué)特性

1.1 隔震支座的力學(xué)特性

試驗(yàn)采用的鉛芯橡膠隔震支座如圖1（a）所示。在試驗(yàn)前，對(duì)隔震支座進(jìn)行了壓剪性測(cè)試研究，如圖1（b）所示，確定了隔震支座在預(yù)期的加載作用下能承受的最大位移，并考慮了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傾覆的影響，取性能最接近設(shè)計(jì)要求的8個(gè)支座供試驗(yàn)使用。根據(jù)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51408-2020》，隔震支座的最大水平變形不應(yīng)大于其有效直徑的0.55倍和支座內(nèi)部橡膠總厚度3倍二者的較大值，即支座水平位移應(yīng)在55 mm以?xún)?nèi)，隔震支座各項(xiàng)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。支座設(shè)計(jì)面壓為5 MPa。gzslib202204041532

1.2 阻尼器力學(xué)特性

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種黏滯阻尼器，由兩端的固定部件和黏滯阻尼器部分組裝而成，長(zhǎng)度為700 mm，最大行程為±60 mm。對(duì)于參數(shù)設(shè)置中的阻尼系數(shù)c，其取值與阻尼器液體材料及溫度相關(guān)，阻尼指數(shù)為速度指數(shù)，其取值與阻尼器運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度相關(guān)。當(dāng)η較小時(shí)，阻尼器耗能能力較強(qiáng)，同時(shí)，阻尼力也較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取0.3～1.0;當(dāng)結(jié)構(gòu)位移較大或受力較大時(shí)，可通過(guò)取值改變阻尼器參數(shù)（速度指數(shù)或阻尼系數(shù)）或數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。本文根據(jù)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)工況、場(chǎng)地條件及阻尼器制作加工精度，最終確定阻尼系數(shù)c=200 N/（ mm.s^-1），速度指數(shù)η=0.5。為保證阻尼器的安裝和拆卸過(guò)程操作簡(jiǎn)單，將阻尼器兩端設(shè)計(jì)成帶有銷(xiāo)頭的樣式，故只需要調(diào)整中間螺栓就能實(shí)現(xiàn)阻尼器的拼卸，兩端的組合構(gòu)件直接焊接在兩相鄰框架結(jié)構(gòu)之間。阻尼器的主要參數(shù)如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與設(shè)置

2.1 概述

出于中間隔震層位置變換的不同工況，為便于起吊安裝，試驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了一套單層單跨鋼框架結(jié)構(gòu)，它可加載的形式多樣，可以通過(guò)不同的組裝方式和層間隔震布置方式改變不同的試驗(yàn)工況，以評(píng)估中間隔震層所在不同工況、不同布置位置下對(duì)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。本試驗(yàn)依托華中科技大學(xué)T程結(jié)構(gòu)分析與安全評(píng)定湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的4m×4m雙向振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行，最大負(fù)載15 t，工作頻率范圍為1～50 Hz。振動(dòng)臺(tái)能夠在10 t的最大載荷作用下產(chǎn)生19的最大水平加速度，最大速度和位移分別為0.5 m/s和±10 cm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)想原型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度相似比為1：16，加速度相似比1：1，時(shí)間相似比1：4，為真實(shí)反映高層結(jié)構(gòu)特性，采用相似關(guān)系設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，相似關(guān)系如表3所示。隔震層采用4個(gè)鉛芯橡膠隔震支座（IRB）分別布置于4個(gè)柱子下方，計(jì)算面壓為1.57 MPa，符合文獻(xiàn)[23]的設(shè)計(jì)要求，隔震結(jié)構(gòu)安全。阻尼器采用焊接方式，將兩端固定部件焊制在鋼框架上，不需要連接阻尼器時(shí)，阻尼器可拆卸，附加配重采用預(yù)制混凝土塊，根據(jù)相似關(guān)系附加于每層結(jié)構(gòu)上。試驗(yàn)所有部件均為試驗(yàn)定制，包括框架、連接板件、隔震支座、阻尼器等，所有部件的設(shè)計(jì)總重量約12 t。

2.2 試驗(yàn)鋼框架模型設(shè)計(jì)及組裝

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了7個(gè)單層單跨鋼框架，每層鋼框架尺寸長(zhǎng)1.6 m，寬0.8 m，高0.8 m。主結(jié)構(gòu)A為4層，整體結(jié)構(gòu)高3.2 m，從結(jié)構(gòu)B為3層，整體結(jié)構(gòu)高2.4 m。主、從結(jié)構(gòu)高寬比分別為4和3。主結(jié)構(gòu)因需進(jìn)行多次試驗(yàn)工況的變換，采取單個(gè)框架結(jié)構(gòu)拼接形成主體結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示，支座上部結(jié)構(gòu)高寬比考慮3，2，1三種工況。每層鋼框架結(jié)構(gòu)采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)截面[24]：柱和梁均采用等邊角鋼L110 mm×110 mm×10 mm;為提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力，梁與柱的連接均采用焊接，避免開(kāi)孔影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，并在梁與柱連接處焊接連接板件以增大焊縫長(zhǎng)度。

為保證結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量符合相似關(guān)系，采用混凝土塊作為配重塊用于模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)荷載，設(shè)計(jì)配重塊單塊質(zhì)量為72 kg，疊加布置在每層結(jié)構(gòu)上，并采用緊固器固定防止試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生晃動(dòng)，同時(shí)采用木塊將配重塊與鋼框架的間距填滿(mǎn)（如圖3所示）。需要更換中間隔震層位置時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)室橋式起重機(jī)吊起上部結(jié)構(gòu)（如圖4所示），拆裝層間隔震支座。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭忻繉痈郊优渲丶s1.3 t，主結(jié)構(gòu)總重約6.8 t。

2.3 數(shù)據(jù)采集及傳感器布置

在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，安裝了傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的位移、加速度。由于激光位移傳感器只能固定于振動(dòng)臺(tái)一側(cè)的架子上，故只能記錄主結(jié)構(gòu)的樓層位移。第一層鋼框架下部梁上布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以記錄隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震層的位移變化情況;主結(jié)構(gòu)每層至少布置一個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，如有層間隔震層的工況，隔震層上下各布置一個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)。加速度傳感器在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度;主結(jié)構(gòu)底層柱腳設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于記錄結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部位加速度;主結(jié)構(gòu)每層設(shè)置2個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，用于驗(yàn)證傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性，再取均值作為該處的實(shí)際加速度;從結(jié)構(gòu)原則上每層設(shè)置一個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)。共計(jì)設(shè)置15個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

2.4 試驗(yàn)工況

層間1-2、層間2-3、層間3-4分別表示層間隔震結(jié)構(gòu)中間隔震層在主結(jié)構(gòu)第一層頂部、第二層頂部、第三層頂部三種工況。因振動(dòng)臺(tái)限制及考慮到安全性，僅輸入峰值加速度為0.2g的地震波，考慮到模型反饋可能會(huì)導(dǎo)致輸入波的信號(hào)改變，故每種地震波輸入前都會(huì)輸入白噪音進(jìn)行掃頻，以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)是否損傷。所有地震記錄均在時(shí)間上壓縮了4倍，以匹配縮尺模型時(shí)間尺度對(duì)結(jié)構(gòu)原型的影響。具體工況如圖6和圖7所示。

3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 地震波反應(yīng)譜特征

本文研究重點(diǎn)在于結(jié)合分段隔震與相鄰建筑物連接耗能的混合被動(dòng)控制系統(tǒng)在不同類(lèi)型地震波激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，因此在選取物理試驗(yàn)使用的地震波時(shí)，根據(jù)地震波的特征周期的長(zhǎng)短，近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的分類(lèi)以及是否含有脈沖效應(yīng)等特點(diǎn)，選取一條普通周期地震波對(duì)比驗(yàn)證長(zhǎng)周期地震波的影響;選取一條近場(chǎng)脈沖長(zhǎng)周期地震波和一條近場(chǎng)非脈沖長(zhǎng)周期地震波對(duì)比驗(yàn)證脈沖效應(yīng)的影響;最后選取一條遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震波對(duì)比驗(yàn)證遠(yuǎn)場(chǎng)地震波的影響。因此選取了4條不同類(lèi)型的地震波，普通周期地震波El-Centro、近場(chǎng)長(zhǎng)周期地震波TCU-078、遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震波TCU-115、近場(chǎng)脈沖長(zhǎng)周期地震波EM0-270，地震波加速度時(shí)程如圖8所示。4條地震波詳細(xì)信息如表4所示。

采用Seismo系列軟件對(duì)表4中地震波進(jìn)行頻譜處理，得到5%阻尼比條件下各條地震波的加速度、速度和位移反應(yīng)譜，如圖9所示。

從圖9（a）中可以看出，普通周期地震波El-Cen-tro加速度在2s內(nèi)就已經(jīng)迅速衰減，而長(zhǎng)周期地震波TCU-078，TCU-115，EM0-270衰減較慢，并且4s后加速度仍然很大。從圖9（b）中可以看出普通周期地震波El-Centro在Is周期左右達(dá)到速度峰值，約52 cm/s;而長(zhǎng)周期地震波繼續(xù)增大，速度峰值約為普通周期地震波的3～5倍;從圖9（c）中可以看出普通周期地震波位移反應(yīng)較小，無(wú)明顯變化趨勢(shì);而長(zhǎng)周期地震波尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震波其位移反應(yīng)譜呈大幅增長(zhǎng)。gzslib202204041533

3.2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析

按試驗(yàn)方案順序輸入El-Centro，TCU-078，TCU-115，EM0-270地震波，輸入每條地震波前采用白噪音掃頻，檢查結(jié)構(gòu)損傷情況，再將試驗(yàn)地震波輸入峰值調(diào)整至0.20g，并在每次試驗(yàn)中，得到混合被動(dòng)控制體系中分段隔震結(jié)構(gòu)的樓層位移響應(yīng)，如圖10所示。圖11給出了El-Centro波下分段隔震結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線。

從圖10中可以看出，隔震結(jié)構(gòu)的樓層位移主要集中在隔震層：對(duì)于層間隔震1-2，樓層位移集中在第一層與第二層間，當(dāng)連接阻尼器后，中間隔震層支座位移減小了50%左右，控制效果明顯。但同時(shí)，由于此工況的中間隔震層布置位置較低，上下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較大，所以中間隔震層的變形會(huì)明顯大于基礎(chǔ)隔震層位移，且在試驗(yàn)中，傾覆趨勢(shì)最為明顯，在實(shí)際工程中需要考慮隔震支座出現(xiàn)受拉的可能。層間2-3的中間隔震層位于結(jié)構(gòu)中部，上下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比近似于1：1，結(jié)構(gòu)主要樓層位移大體上均布于兩個(gè)隔震層中，可充分利用兩個(gè)隔震層的變形限值降低結(jié)構(gòu)在大震下的支座變形超限的可能，有更大的變形預(yù)留量，并且上下部結(jié)構(gòu)以平動(dòng)為主，樓層間相對(duì)位移較小。層間3-4的中間隔震層位于靠上部，在未連接阻尼器時(shí)，可以近似看作諧調(diào)質(zhì)量阻尼器（TMD）?？梢院苊黠@地看出，在四種類(lèi)型的地震波激勵(lì)下，層間3-4的頂層位移均明顯較大。但是連接阻尼器以后，阻尼器可以發(fā)揮出耗能性能，尤其是對(duì)上部結(jié)構(gòu)（頂層）仍有一定控制效果。

為了更直觀明確地表達(dá)出混合被動(dòng)控制體系對(duì)隔震支座變形的控制效果，圖11，12給出了層間隔震結(jié)構(gòu)隔震支座在普通波（El-Centro）和長(zhǎng)周期波（TCU-115）激勵(lì)下的支座位移時(shí)程圖。

從圖11和12中可以看出：在不同類(lèi)型的地震波激勵(lì)下，相對(duì)于普通地震波（ El-Centro），長(zhǎng)周期波對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響更為明顯，一方面是振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面（地面）會(huì)有更大的位移;另一方面結(jié)構(gòu)每一層的相對(duì)位移和隔震支座位移都有明顯增大：在0.2g加速度下，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期波（TCU-115）使結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震層支座產(chǎn)生的最大位移為普通波的2倍左右;且由于變形的增大，阻尼器的限位作用效果更為明顯，但在層間3-4 工況下，由于阻尼器并沒(méi)有限制上（頂）部結(jié)構(gòu)的位移，阻尼器并無(wú)明顯控制效果。同時(shí)，在長(zhǎng)周期波激勵(lì)下，支座的限位效果由普通波激勵(lì)下的30%～50%增加到600%-70%。由此可以看出，長(zhǎng)周期波，尤其是長(zhǎng)周期脈沖波對(duì)于高層隔震結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)）的影響需要引起重視，混合控制體系對(duì)結(jié)構(gòu)和支座位移控制效果有著明顯優(yōu)勢(shì)。

3.3 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)分析

圖13給出了在4種不同類(lèi)型地震波激勵(lì)下分段隔震結(jié)構(gòu)各樓層的峰值加速度?？梢钥闯鲈陂L(zhǎng)周期波TCU-078，TCU-115激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的整體加速度明顯大于普通波El-Centro激勵(lì)下結(jié)構(gòu)樓層加速度;同時(shí)，在El-Centro波激勵(lì)下，連接阻尼器后，上部結(jié)構(gòu)的樓層加速度均有不同程度的放大效應(yīng)（如圖13（a）所示）。但在TCU-078，TCU-115激勵(lì)下，連接阻尼器后結(jié)構(gòu)的樓層加速度有大幅減小。如圖13（b）所示，當(dāng)中間隔震層位置較低時(shí)，傾覆的趨勢(shì)依然很明顯，上部結(jié)構(gòu)加速度沿結(jié)構(gòu)高度方向逐漸增大。當(dāng)隔震層設(shè)置于靠結(jié)構(gòu)中部時(shí)，連接阻尼器對(duì)下部結(jié)構(gòu)加速度控制效果不太理想（在El-Centro波下，甚至略微放大了下部結(jié)構(gòu)加速度），但對(duì)上部結(jié)構(gòu)的加速度控制效果卻是最好的。當(dāng)中間隔震層位于頂層時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層的加速度較大，且連接阻尼器后仍無(wú)法得到較好控制效果。

圖14，15展示了3組對(duì)比工況在普通波El-Cen-tro和長(zhǎng)周期波TCU-115激勵(lì)下分段隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程。在連接阻尼器后，控制效果是截然不同的：普通波激勵(lì)下反而會(huì)放大結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)。相反，長(zhǎng)周期波激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)頂層加速度大幅降低，在圖15（b）中，層間1-2T況（a）和層間2-3工況（b）結(jié)構(gòu)頂層加速度的對(duì)比中尤為明顯。如圖15（c）所示，層間3-4 工況的對(duì)比中，由于頂層類(lèi)似于TMD系統(tǒng)，加速度并沒(méi)有得到很好的控制效果。同時(shí)，在加速度峰值處得到了最好的減震效果。在較小的振動(dòng)下，阻尼器可能會(huì)略微放大結(jié)構(gòu)的加速度，這是由于當(dāng)振動(dòng)較小時(shí)，阻尼器抑制了結(jié)構(gòu)間的相互運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，會(huì)使結(jié)構(gòu)加速度略微放大，但由于此時(shí)加速度很小，并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷。

通過(guò)以上對(duì)比分析可以看出，混合減隔震體系針對(duì)隔震建筑在高頻短周期脈沖地震波激勵(lì)下有較好的隔震效果，但在長(zhǎng)周期地震動(dòng)下效果可能較差;而連接被動(dòng)耗能系統(tǒng)（阻尼器）的相鄰結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期、長(zhǎng)持時(shí)地震動(dòng)下有較好的控制效果，但在脈沖型地震動(dòng)下效果可能較差，如果將隔震和減震組合，采用混合被動(dòng)控制系統(tǒng)的建筑物在上述兩種類(lèi)型的地震波激勵(lì)下都是有效的，能更加安全地適用于更寬頻域內(nèi)的地震地面運(yùn)動(dòng)。

4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比

采用有限元軟件Etabs進(jìn)行數(shù)值模擬，軟件的程序中預(yù)置了幾種主流的非線性連接單元，可以定義連接單元的屬性來(lái)模擬隔震裝置和阻尼器。為了更好地反映混合被動(dòng)控制體系中中間隔震層位置對(duì)結(jié)構(gòu)控制效果的影響，本文采用有限元軟件Etabs對(duì)縮尺模型的6種試驗(yàn)工況進(jìn)行建模，并輸入相應(yīng)地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，分析不同隔震體系、不同中間隔震層布置方案對(duì)模型結(jié)構(gòu)大指標(biāo)的影響。對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)（非隔震結(jié)構(gòu)模型）底部和基礎(chǔ)采用固定節(jié)點(diǎn)約束（限制六個(gè)方向的白由度）。針對(duì)隔震支座在Etabs中的模擬，可采用“Rubber Isolator”連接單元，對(duì)連接相鄰結(jié)構(gòu)的工況采用多塔模式分別建立主結(jié)構(gòu)及從結(jié)構(gòu)模型。針對(duì)阻尼器單元在Etabs中的模擬，可采用白帶的連接單元“Damper-Exponential”模擬，先畫(huà)輔助線，連接屬性是根據(jù)試驗(yàn)采用的阻尼器類(lèi)型確定的（基于阻尼器指數(shù)選擇阻尼器類(lèi)型）。圖16為層間隔震結(jié)構(gòu)和混合控制結(jié)構(gòu)的有限元模型。

4.1 自振周期

對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的縮尺模型進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，通過(guò)試驗(yàn)時(shí)輸入白噪聲檢測(cè)結(jié)構(gòu)的白振特性，并與數(shù)值模擬得到的高階白振周期進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表5所示。gzslib202204041533

從表5可以看出，當(dāng)主結(jié)構(gòu)中間隔震層位置為第一層頂部時(shí)，白振周期試驗(yàn)值為0.551 s，相比其他隔震方案的白振周期更長(zhǎng)，即對(duì)于本試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?dāng)中間隔震位置較低時(shí)，周期延長(zhǎng)較多，且隨著中間隔震層位置的升高結(jié)構(gòu)白振周期延長(zhǎng)量逐漸減少。試驗(yàn)得到的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差基本保持在10%左右，模型的制作與理想狀態(tài)接近。

4.2 試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析比較

將所有試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募铀俣群蛯娱g位移測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的加速度和樓層位移，圖17展示了層間2-3 工況與其連接相鄰結(jié)構(gòu)工況的位移對(duì)比圖;圖18展示了層間2-3工況與其連接相鄰結(jié)構(gòu)工況的加速度對(duì)比圖。結(jié)果顯示試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果之間有著良好的匹配結(jié)果，最大誤差在20%左右。

5 結(jié) 論

本研究提出了一種混合被動(dòng)控制體系，研究了層間隔震結(jié)構(gòu)中間隔震層位置變化對(duì)控制效果的影響。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及有限元模擬仿真得出以下結(jié)論：

（1）分段隔震結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震波激勵(lì)下，會(huì)產(chǎn)生更大的支座位移，若中間隔震層位置較低，需要更重視隔震支座的變形限值和上部結(jié)構(gòu)的傾覆問(wèn)題，并且支座可能會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

（2）混合控制體系對(duì)高層隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆、支座變形限位均有明顯的控制效果，進(jìn)一步提高了隔震結(jié)構(gòu)的安全性。同時(shí)相鄰結(jié)構(gòu)間阻尼器起到了良好的緩沖作用，可有效降低結(jié)構(gòu)加速度。

（3）中間隔震層布置位置對(duì)上部結(jié)構(gòu)的位移和加速度響應(yīng)有顯著的影響，當(dāng)隔震層布置在結(jié)構(gòu)豎向靠近中部時(shí)，對(duì)層間位移角的控制效果較好，振動(dòng)控制和支座位移達(dá)到一個(gè)相對(duì)均衡的狀態(tài)。

（4）混合被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)在不同頻域地震波激勵(lì)下有著截然不同的減隔震效果，相對(duì)于單一的減隔震結(jié)構(gòu)，混合控制體系在不同頻域地震動(dòng)激勵(lì)下有著更好的優(yōu)越性和魯棒性。

本文研究?jī)H基于物理模型和有限元模型在4種不同類(lèi)型地震波激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)分析，結(jié)論具有一定的局限性，接下來(lái)會(huì)進(jìn)行更為全面、更具普遍性的研究。

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