吳應(yīng)雄 陳勁楊 方泓杰 施建日 許立英

摘要 長(zhǎng)周期地震動(dòng)易使隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)強(qiáng)烈，考慮土?結(jié)構(gòu)相互作用（SSI效應(yīng)）后隔震結(jié)構(gòu)可能更不利。為探究長(zhǎng)周期地震動(dòng)下軟弱夾層地基SSI效應(yīng)對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及減震性能的影響，開(kāi)展剛性、軟夾層地基上大底盤(pán)單塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。結(jié)果表明：考慮SSI效應(yīng)后結(jié)構(gòu)的自振周期較剛性地基增大，但采用隔震技術(shù)后延長(zhǎng)的周期倍數(shù)降低；軟夾層地基對(duì)輸入地震動(dòng)具有明顯放大和濾波效應(yīng)，與地震動(dòng)的峰值和頻譜特性相關(guān)；SSI效應(yīng)對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)以放大作用為主，對(duì)下部底盤(pán)和隔震層的影響較大；考慮SSI效應(yīng)后長(zhǎng)周期地震動(dòng)下隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)較普通地震動(dòng)更為強(qiáng)烈，減震效果變差，特別是近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)下隔震層位移超限，體系發(fā)生失效破壞。

關(guān)鍵詞 長(zhǎng)周期地震動(dòng); 層間隔震; SSI效應(yīng); 軟夾層地基; 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

引 言

大底盤(pán)上塔樓建筑具有豎向不規(guī)則的特征，采用層間隔震技術(shù)在結(jié)構(gòu)突變處設(shè)置隔震層，消耗地震能量以改善剛度突變處的復(fù)雜內(nèi)力問(wèn)題［1］。長(zhǎng)周期地震動(dòng)具有豐富的低頻成分，較長(zhǎng)的卓越周期以及顯著的脈沖特性等特點(diǎn)［2］，與自振周期較長(zhǎng)的隔震結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生共振，引起的動(dòng)力反應(yīng)與普通地震動(dòng)下明顯不同。

Ariga等［3］研究普通地震動(dòng)和長(zhǎng)周期地震動(dòng)下高層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，指出長(zhǎng)周期地震動(dòng)與隔震結(jié)構(gòu)共振效應(yīng)明顯，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要引入長(zhǎng)周期地震動(dòng)。王亞楠等［4］研究遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點(diǎn)和損傷分布規(guī)律，指出同峰值作用下長(zhǎng)周期地震動(dòng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)危害更大。杜曉磊等［5］對(duì)某基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)輸入相同地震的近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)激勵(lì)，對(duì)比分析兩類地震動(dòng)下的地震響應(yīng)，結(jié)果表明近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響較遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)強(qiáng)烈，隔震層位移超限，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)的影響。

目前隔震結(jié)構(gòu)的理論分析和抗震設(shè)計(jì)大多建立在剛性地基假定上，忽略SSI效應(yīng)的影響［6］。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)體系阻尼，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，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏不安全。Luco［7］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，指出考慮SSI效應(yīng)后，結(jié)構(gòu)位移、剪力較剛性地基情況增大，隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)重視SSI效應(yīng)的影響。于旭等［8］和李昌平等［9］進(jìn)行剛性地基和軟土地基上基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，指出軟土地基上結(jié)構(gòu)體系的阻尼增加，考慮SSI效應(yīng)后隔震結(jié)構(gòu)的減震效果顯著降低。Zhuang等［10?11］開(kāi)展不同土性地基上基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)不同地基上SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響不同，軟夾層地基上SSI效應(yīng)可能增大或減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。吳應(yīng)雄等［12］對(duì)均勻軟土地基上層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，指出考慮SSI效應(yīng)后隔震結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)較普通地震動(dòng)更強(qiáng)烈。

綜上可知，SSI效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)，對(duì)于Ⅲ和Ⅳ場(chǎng)地，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)需考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響［13］。現(xiàn)有研究以土?基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)為主，少有針對(duì)層間隔震體系；地基土多為均勻土體，而實(shí)際土體各層土質(zhì)均存在一定差異，對(duì)軟弱夾層地基的研究偏少；長(zhǎng)周期地震動(dòng)與SSI效應(yīng)耦合的層間隔震結(jié)構(gòu)研究更是鮮有報(bào)道。為此，以某典型大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下軟夾層地基上層間隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及減震性能展開(kāi)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型相似關(guān)系

延續(xù)本文作者課題組土?隔震結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究［14］，原型建筑平面示意圖如圖1（a）所示。建筑物為鋼筋混凝土高層框架結(jié)構(gòu)，設(shè)定所在區(qū)域設(shè)防烈度8度（0.2g），場(chǎng)地類別Ⅲ類，地震分組第二組。底盤(pán)2層，層高4.8 m；塔樓6層，層高3.3 m，建筑總高度為29.4 m。塔樓與大底盤(pán)平面面積比為1∶2，塔樓高寬比為1∶2.75（X向），符合大底盤(pán)高層結(jié)構(gòu)的受力特征。

試驗(yàn)重點(diǎn)考察結(jié)構(gòu)X向的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)，綜合振動(dòng)臺(tái)設(shè)備條件，對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，如圖1（b）所示。

考慮SSI效應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)涉及到多種材料，要使縮尺模型的試驗(yàn)參數(shù)與原型參數(shù)完全滿足相似關(guān)系十分困難。根據(jù)研究目的，要求土?隔震結(jié)構(gòu)體系主要參數(shù)的相似比統(tǒng)一，次要參數(shù)相似比盡量接近。綜合振動(dòng)臺(tái)設(shè)備條件和材料特性等因素，考慮隔震支座應(yīng)力和土體動(dòng)力反應(yīng)相似，根據(jù)支座的應(yīng)力相似比由隔震支座控制的原則，將支座應(yīng)力相似比定為1。選取加速度、長(zhǎng)度、支座應(yīng)力相似比為基本相似參數(shù)。依照Bockingham π定理推算出其他物理量的相似常數(shù)，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作

根據(jù)上述相似關(guān)系，對(duì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì)。模型梁和柱采用強(qiáng)度為Q235的空心方鋼管，截面尺寸為50 mm×50 mm×3 mm。底盤(pán)2層，層高為400 mm，X向?yàn)?跨，跨度為300，600和300 mm；考慮到地震作用下上部塔樓表現(xiàn)為平動(dòng)特征［1，4］，將6層塔樓簡(jiǎn)化為3層，層高為550 mm；塔樓平面尺寸橫、縱向均為單跨550 mm；每層樓板采用厚10 mm的鋼板。

模型塔樓與底盤(pán)分開(kāi)制作，模型整體由梁、柱及樓板焊接固接組成；塔樓與底盤(pán)通過(guò)預(yù)焊鋼板直接螺栓連接形成抗震模型，在預(yù)焊鋼板間設(shè)置隔震支座形成層間隔震模型。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图ふ穹较驗(yàn)榻Y(jié)構(gòu)橫向（X向），模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。鋼框架模型重量為0.5 t，通過(guò)質(zhì)量相似比換算，每層需增加配重0.4 t，模型總重量約為3.3 t。

模型基礎(chǔ)采用4×2群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)和方形樁采用C30混凝土澆筑，樁長(zhǎng)徑比為16。考慮到承臺(tái)面積較大，土體與承臺(tái)難以緊密貼合，以及為便于對(duì)承臺(tái)下土體進(jìn)行夯實(shí)和埋設(shè)傳感器，故在承臺(tái)表面預(yù)留350 mm×350 mm的孔洞，開(kāi)孔后承臺(tái)面積更接近工程實(shí)際且不影響基礎(chǔ)的承載能力。承臺(tái)和樁基設(shè)計(jì)大樣如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)用減隔震裝置

基于目前生產(chǎn)工藝條件，按照表1所示的相似比來(lái)設(shè)計(jì)隔震支座是非常困難的。綜合考慮國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)成果、豎向面壓及生產(chǎn)工藝等條件［12，15］，確定支座直徑為70 mm（LRB70?5），豎向面壓約為1.32 MPa。委托生產(chǎn)制作8個(gè)支座，如圖4（a）～（b）所示。為驗(yàn)證支座的力學(xué)性能，在試驗(yàn)前采用壓剪試驗(yàn)機(jī)對(duì)支座進(jìn)行50%，100%剪應(yīng)變條件下水平性能試驗(yàn)。兩個(gè)橡膠支座被視為一組，放置在剪切板的上方和下方，如圖4（c）所示。由壓剪測(cè)試得到的滯回曲線如圖4（d）所示。選擇力學(xué)性能相近的4個(gè)支座安裝于隔震層，支座規(guī)格和力學(xué)參數(shù)如表2所示。

1.4 試驗(yàn)土箱與土體制備

試驗(yàn)采用本課題組研制的層狀剪切型土箱，已被證明可以有效減少邊界效應(yīng)，滿足試驗(yàn)要求［12］。土箱凈尺寸為3.2 m（X向）×2 m（Y向）×1.4 m（Z向），為減少填土和水滲漏，箱體內(nèi)部貼一層20 mm厚橡膠袋，同時(shí)放置60mm厚輕質(zhì)泡沫板以減少邊界效應(yīng)。箱體由15層矩形鋼框架疊合組成，每個(gè)框架由4根80 mm×80 mm×3 mm方鋼管焊接而成。相鄰鋼框架之間放置若干牛眼軸承，軸承內(nèi)嵌置滾珠，可實(shí)現(xiàn)框架沿平面外任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)土箱如圖5所示。

模型地基為軟弱夾層地基，總厚度為1.2 m。地基分為三層，自上而下分別為松散砂土（0.3 m）、高含水量黏土（0.4 m）以及飽和密實(shí)砂土（0.5 m）。模型地基制備主要控制密實(shí)度和含水率，采用人工分層進(jìn)行裝填。將模型地基土分為12層（每層為0.1 m），裝填每層土體后緩慢加水調(diào)制，保證地基水分均勻。靜止3日后，取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，達(dá)到要求后用光滑的木板將土表面掃平，再進(jìn)行下一層土體裝填。填土過(guò)程中，將樁基承臺(tái)固定在土箱內(nèi)的預(yù)設(shè)位置，通過(guò)電動(dòng)沖擊夯進(jìn)行夯實(shí)，保證樁間土體能夠夯填密實(shí)。土層頂部則從承臺(tái)底面預(yù)留的孔洞進(jìn)行充填土并細(xì)致夯實(shí)，使得土層與承臺(tái)底面貼合緊密。表3給出土樣物理參數(shù)，采用SDMT波速檢測(cè)儀測(cè)得軟夾層地基的平均剪切波速約為100 m/s，符合軟弱地基的試驗(yàn)要求。相關(guān)試驗(yàn)過(guò)程如圖6，7所示。

1.5 測(cè)點(diǎn)布置與模型組裝

對(duì)塔樓、隔震層、底盤(pán)、承臺(tái)、土箱及振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行組裝連接，兩種地基上模型組裝后全貌如圖8所示。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)重點(diǎn)研究軟夾層地基條件下SSI效應(yīng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)的影響。主要采集數(shù)據(jù)為：樓層加速度、樓層位移、承臺(tái)表面水平加速度、地基土內(nèi)及土表水平加速度。選擇DH610型加速度傳感器和BL80?V型拉線位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，傳感器測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

1.6 地震動(dòng)選擇與試驗(yàn)工況

從PEER數(shù)據(jù)庫(kù)選取普通地震動(dòng)和長(zhǎng)周期地震動(dòng)。選取地震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)如下［14］：（1）地震動(dòng)斷層距小于20 km，且5% 阻尼比的加速度反應(yīng)譜平均周期Tr值大于2 s的地震動(dòng)為近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)；（2）地震動(dòng)斷層距大于60 km，且Tr值大于2 s的地震動(dòng)為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)；（3）PGV/PGA小于0.2的地震動(dòng)為普通地震動(dòng)；（4）選擇主震記錄。為保證研究結(jié)果具有典型性，分別選取三類地震動(dòng)各3條，如表4所示。

考慮到試驗(yàn)的安全，同時(shí)為了方便試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚樞蛞来螢閯傂?層間隔震、剛性?抗震、土性?層間隔震、土性?抗震。地震動(dòng)采用單向（X向）輸入，普通地震動(dòng)和近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)均按照0.1g，0.2g和0.4g的峰值進(jìn)行加載，分別對(duì)應(yīng)8度多遇、設(shè)防以及罕遇地震。

考慮到遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)加速度峰值普遍較?。?］，故將峰值設(shè)為0.1g和0.2g。在每條地震波輸入前，均進(jìn)行白噪聲掃頻，以測(cè)量模型的自振頻率等動(dòng)力特性參數(shù)。地震波持時(shí)根據(jù)時(shí)間相似比進(jìn)行壓縮。試驗(yàn)工況如表5所示。

1.7 數(shù)值模型建立

采用ABAQUS對(duì)縮尺模型進(jìn)行建模：模型為5層鋼框架，框架梁與柱均采用三維線（wire）部件模擬，截面采用允許剪切變形的B31單元，并賦予與梁柱對(duì)應(yīng)的截面尺寸和屬性；樓板采用三維殼（shell）部件進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，將配重質(zhì)量轉(zhuǎn)化為板的密度并施加到樓板屬性；隔震支座用ABAQUS中的Cartesian connector單元和Align旋轉(zhuǎn)連接單元模擬。

樁基承臺(tái)與土體均采用C3D8R實(shí)體單元建立。土體采用Mohr?Coulomb本構(gòu)進(jìn)行非線性模擬，地基土參數(shù)結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行合理調(diào)整以減小試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬的誤差，最終確定地基土本構(gòu)參數(shù)如表6所示。樁基和承臺(tái)采用混凝土損傷本構(gòu)模型，鋼筋嵌入承臺(tái)和樁基中，樁基和承臺(tái)與土體之間采用法向“硬接觸”，切向接觸采用庫(kù)倫摩擦模型；上部結(jié)構(gòu)與承臺(tái)表面接觸點(diǎn)設(shè)置綁定約束。地基土四周邊界設(shè)置三維等效黏彈性單元［16］，通過(guò)剛度等效原則，推導(dǎo)出邊界單元的等效剪切模量和等效彈性模量。地震波沿底部激振方向以加速度方式輸入。剛性地基情況為移除土層，設(shè)置柱底沿激振方向自由，其余方向施加固定約束。土性地基上層間隔震結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖10所示。

2 試驗(yàn)-數(shù)值結(jié)果分析

2.1 模型體系的動(dòng)力特性

兩種地基上模型結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比如表7所示。分析可知：（1）隔震結(jié)構(gòu)的自振周期較抗震結(jié)構(gòu)大幅延長(zhǎng)，剛性地基上層間隔震結(jié)構(gòu)自振周期試驗(yàn)值為抗震結(jié)構(gòu)的2.64倍，土性地基上層間隔震結(jié)構(gòu)自振周期試驗(yàn)值為抗震結(jié)構(gòu)的1.98倍，表明考慮SSI效應(yīng)后，隔震結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)倍數(shù)降低。（2）土性地基上結(jié)構(gòu)的自振周期較剛性地基均有延長(zhǎng)，其中抗震結(jié)構(gòu)周期試驗(yàn)值延長(zhǎng)1.37倍，隔震結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)1.03倍。（3）結(jié)構(gòu)自振周期的試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差在5%以內(nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模型具有較好的一致性。

2.2 樓層加速度及位移對(duì)比

不同加速度峰值近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)下樓層加速度和樓層位移的響應(yīng)規(guī)律相似，限于篇幅，以0.2g近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)下層間隔震結(jié)構(gòu)的樓層加速度、位移試驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比進(jìn)行分析，如圖11，12所示。

由圖11，12分析可知，兩種地基上層間隔震結(jié)構(gòu)的樓層加速度、樓層位移試驗(yàn)值和計(jì)算值曲線吻合度較高，響應(yīng)規(guī)律基本一致，總體誤差較小。

2.3 地基土放大效應(yīng)

試驗(yàn)中在軟夾層地基中布置了加速度傳感器，以量測(cè)地基不同土層內(nèi)加速度反應(yīng)。土?隔震結(jié)構(gòu)體系中土層內(nèi)不同深度處的加速度放大系數(shù)（AMF）如圖13所示。圖13中測(cè)點(diǎn)位置0，0.4，0.7，0.9，1.2 m分別對(duì)應(yīng)臺(tái)面測(cè)點(diǎn)A1，地基土內(nèi)測(cè)點(diǎn)A2，A3，A4以及土表測(cè)點(diǎn)A6。其中，脈沖地震動(dòng)峰值加速度為0.4g的工況下，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面傾覆力矩過(guò)大，導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制停止加載。

由圖13分析可知，不同類型地震動(dòng)作用下，土層內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的加速度放大規(guī)律基本一致。即當(dāng)輸入地震動(dòng)加速度峰值較小時(shí)，底層砂土對(duì)土內(nèi)加速度反應(yīng)起放大作用，但隨著加速度峰值增大，則對(duì)土內(nèi)加速度反應(yīng)起減弱作用。地基土中間的軟弱黏土層使加速度反應(yīng)明顯減小，表明軟弱黏土層具有一定的減震效果。遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下加速度的放大作用最顯著，隨著加速度峰值的增大，土體對(duì)加速度的放大作用減弱。分析可知，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)激勵(lì)較小時(shí)，土體耗能較??；當(dāng)?shù)卣饎?dòng)激勵(lì)增大時(shí)，土體逐漸軟化，非線性增強(qiáng)，傳遞振動(dòng)的能力減弱，從而導(dǎo)致放大作用減弱。總體來(lái)看，軟夾層地基的動(dòng)力反應(yīng)與地震動(dòng)的強(qiáng)度和頻譜特性相關(guān)。

2.4 地基土濾波效應(yīng)

加速度峰值0.2g時(shí)不同類型地震動(dòng)作用下土?隔震體系測(cè)點(diǎn)A1和A6的傅里葉譜對(duì)比如圖14所示。

由圖14分析可知，地震波經(jīng)振動(dòng)臺(tái)輸入模型地基后其傅里葉譜發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為：土性地基過(guò)濾掉地震波的高頻分量，增強(qiáng)部分中低頻分量。經(jīng)過(guò)地基土濾波后，土表測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜在3～6 Hz的譜值得到增強(qiáng)，而8～30 Hz的譜值明顯減小。進(jìn)一步分析得，濾波后長(zhǎng)周期地震波的傅里葉譜在0～2 Hz的譜值仍明顯大于普通地震波，具有豐富的低頻能量，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)等長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)影響較大。

2.5 不同地基上結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

將剛性地基和土性地基上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，研究SSI效應(yīng)對(duì)普通地震動(dòng)和長(zhǎng)周期地震動(dòng)下層間隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響規(guī)律。

為分析隔震結(jié)構(gòu)的減震效果，引入地震反應(yīng)減震率θ，定義：

式中 Δi為隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)峰值；Δ為對(duì)應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)峰值。

2.5.1 樓層加速度響應(yīng)

不同地震作用下地基土表加速度不同，因此引入加速度放大系數(shù)描述樓層加速度規(guī)律，定義：

式中 aS為樓層加速度響應(yīng)峰值；a為結(jié)構(gòu)基底加速度響應(yīng)峰值。

普通、長(zhǎng)周期地震動(dòng)下剛性、土性地基的結(jié)構(gòu)樓層加速度放大倍數(shù)對(duì)比如圖15～17所示。

由圖15～17分析可得：（1）不同地震動(dòng)下，抗震結(jié)構(gòu)考慮SSI效應(yīng)后的加速度規(guī)律基本一致，整體樓層加速度放大倍數(shù)較剛性地基條件減小，其中上部塔樓減小明顯，且隨著加速度峰值的增加，減小效果越顯著。分析表明：軟夾層地基考慮SSI效應(yīng)后會(huì)減小抗震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)，土性地基具有天然的減震效果。（2）不同地基條件下，層間隔震結(jié)構(gòu)的樓層加速度響應(yīng)與輸入地震動(dòng)類型和強(qiáng)度相關(guān)。普通地震動(dòng)下，隔震結(jié)構(gòu)考慮SSI效應(yīng)后的樓層加速度放大倍數(shù)較剛性地基條件增大，減震效果變差。長(zhǎng)周期地震動(dòng)下，土性地基上部塔樓的加速度放大倍數(shù)較剛性地基減??；下部底盤(pán)與剛性地基條件下相比接近或增大。分析表明：軟夾層地基SSI效應(yīng)可能增大或減小層間隔震結(jié)構(gòu)上部塔樓的加速度響應(yīng)，下部底盤(pán)均有不同程度放大，因此考慮SSI效應(yīng)后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注底盤(pán)的抗震設(shè)計(jì)。

2.5.2 樓層位移響應(yīng)

普通地震動(dòng)、長(zhǎng)周期地震動(dòng)下剛性地基和土性地基的結(jié)構(gòu)樓層位移對(duì)比如圖18～20所示。

由圖18～20分析可知：

（1）結(jié)構(gòu)在土性地基上的樓層位移較剛性地基條件下顯著增大。分析可得，由于土體非絕對(duì)剛性，軟弱地基上的樁基承臺(tái)在地震動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的整體水平位移由平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和自身的變形組成?？赏茰y(cè)隨著地基土的進(jìn)一步變軟，結(jié)構(gòu)的位移將繼續(xù)增大。

（2）長(zhǎng)周期地震動(dòng)下隔震結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)遠(yuǎn)大于普通地震動(dòng)作用，其中0.2g遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下隔震層位移約為普通地震動(dòng)下的2.86倍，近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)下為4.82倍。近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)不同峰值下隔震層的位移均遠(yuǎn)超過(guò)普通地震動(dòng)作用的1.5倍，超出《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［17］中近場(chǎng)影響系數(shù)的取值范圍，說(shuō)明該系數(shù)不能全面考慮脈沖地震動(dòng)的特性。0.4g峰值加速度下隔震層位移達(dá)到47.37 mm，超過(guò)隔震支座水平位移限值（38.5 mm），支座失效破壞，需要采取限位措施進(jìn)行保護(hù)。

加速度峰值0.2g時(shí)的層間位移減震率和SSI效應(yīng)放大系數(shù)如表8，9所示（注：SSI效應(yīng)放大系數(shù)=土性地基結(jié)構(gòu)響應(yīng)/剛性地基結(jié)構(gòu)響應(yīng)）。

由表8，9分析可知：（1）考慮SSI效應(yīng)后，隔震結(jié)構(gòu)層間位移減震率較剛性地基條件有所降低。普通地震動(dòng)下剛性地基的塔樓減震率為69.60%～76.33%，土性地基上降至57.49%～62.78%；長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下塔樓減震率降幅更大，由61.42%～67.05%降至43.04%～53.50%。（2）抗震結(jié)構(gòu)的SSI效應(yīng)放大系數(shù)小于相應(yīng)的隔震結(jié)構(gòu)，說(shuō)明SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)層間位移的影響更為顯著。下部底盤(pán)的SSI效應(yīng)放大系數(shù)較上部塔樓大的多，如普通地震動(dòng)作用下隔震結(jié)構(gòu)的底盤(pán)最大層間位移較剛性地基放大了3.11倍，而上部塔樓則放大1.96倍。因此，基于剛性地基假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)是偏不安全的。（3）長(zhǎng)周期地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)的SSI效應(yīng)放大系數(shù)較普通地震動(dòng)大，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)中諧波成分使SSI效應(yīng)的影響最為明顯?？紤]SSI效應(yīng)后隔震層位移均有放大，長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下未考慮SSI效應(yīng)的隔震層位移值較大，考慮SSI效應(yīng)后雖有放大，但放大系數(shù)較普通地震動(dòng)不明顯。

2.5.3 樓層剪力響應(yīng)

不同地震動(dòng)0.1g，0.2g作用下抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)在剛性、軟夾層地基上的層間剪力計(jì)算值對(duì)比如圖21～23所示。樓層指模型的層數(shù)，樓層1和2代表下部底盤(pán)，樓層3，4和5代表上部塔樓三層。

由圖21～23分析可知：

（1）兩種地基上結(jié)構(gòu)采用層間隔震技術(shù)后，均能有效降低層間剪力。土性地基上抗震結(jié)構(gòu)的層間剪力較剛性地基條件下明顯降低，表現(xiàn)為底層、中間層減小幅度較大，頂層減小幅度較小。土性地基上隔震結(jié)構(gòu)的層間剪力較剛性地基條件略有增大，隨著加速度峰值的增加，SSI效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)層間剪力的影響更為明顯，隔震結(jié)構(gòu)的減震效果變差。

（2）相同加速度峰值時(shí)，長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的層間剪力明顯大于普通地震動(dòng)作用，其中0.2g近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)下隔震結(jié)構(gòu)的底層剪力約為普通地震動(dòng)下的2.5倍，為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下的1.5倍，減震效果較差。

3 結(jié) 論

（1）SSI效應(yīng)使抗震結(jié)構(gòu)和層間隔震結(jié)構(gòu)的自振周期較剛性地基均有增大，但采用隔震技術(shù)后延長(zhǎng)的周期倍數(shù)降低。土性地基上抗震結(jié)構(gòu)周期試驗(yàn)值較剛性地基延長(zhǎng)1.37倍，而土性地基上隔震結(jié)構(gòu)較剛性地基僅延長(zhǎng)1.03倍。

（2）軟夾層地基對(duì)輸入地震動(dòng)具有明顯放大和濾波效應(yīng)，與地震動(dòng)的峰值和頻譜特性相關(guān)。底層砂土對(duì)輸入加速度峰值可能起放大或減弱作用；中間軟弱黏土層起減弱作用，具有明顯的減振效果；頂層砂土起放大作用。土性地基過(guò)濾地震波的高頻分量，增強(qiáng)部分中低頻分量。

（3）SSI效應(yīng)對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)以放大作用為主，對(duì)下部底盤(pán)和隔震層的影響較大。土性地基上隔震結(jié)構(gòu)的樓層位移、剪力較剛性地基增大。SSI效應(yīng)對(duì)下部底盤(pán)和隔震層的加速度響應(yīng)起放大作用；根據(jù)輸入地震動(dòng)類型和強(qiáng)度的不同，可能增大或減小隔震層上部塔樓的加速度響應(yīng)。

（4）長(zhǎng)周期地震動(dòng)下的地震響應(yīng)較普通地震動(dòng)更為強(qiáng)烈，減震效果差，特別是考慮SSI效應(yīng)后近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)下隔震層位移超限，體系減震效率最差。相同加速度峰值時(shí)，長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的層間剪力明顯大于普通地震動(dòng)作用下的層間剪力，其中0.2g近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)下隔震結(jié)構(gòu)的底層剪力約為普通地震動(dòng)下的2.5倍，為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下的1.5倍，減震效果較差。

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Shaking table test of inter-story isolation structure on a soft interlayer ground under long-period ground motion

Wu Ying-xiong 1 ?Chen Jin-yang 1Fang Hong-jie 1SHI Jian-ri 2Xu Li-ying 3 ?

1. College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108，China；

2. Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research Co.， Ltd.， Fuzhou 350001， China；

3. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China

Abstract Long-period ground motion is easy to cause strong seismic response of isolated structure， which may be more disadvantageous when considering soil-structure interaction （SSI effect）. In order to explore the influence of the SSI effect of the weak interlayer foundation under the long-term period of ground vibration on the dynamic response law and shock absorption performance of the layer interval vibration structure， the numerical simulation and vibration platform test of the single tower layer interval vibration structure of the large chassis on the rigid and soft interlayer foundation are carried out. The results show that the soft interlayer foundation has an obvious amplification and filtering effect on the input ground vibration， which is associated with the peak and spectral characteristics of the ground vibration. After considering SSI effect， the natural vibration period of the structure is larger than that of the rigid foundation， but the extended period multiple of the isolation technology is lower. The SSI effect enlarges the acceleration response to the lower chassis and the diaphragm， and may increase or decrease the acceleration response of the upper tower， depending on the type and intensity of the input seismic vibration. After considering the SSI effect， the seismic response of the isolation structure under long-period ground motions is stronger than that of ordinary ground motions， and the damping effect becomes worse. In particular， the displacement of the isolation layer under near-field impulse ground motions exceeds the limit， the damping effect is poor， and the system fails.

Keywords long-period ground motion; soil-structure interaction; soft interlayer ground; inter-story isolation; shaking table test