尚守平, 束　洋

(湖南大學土木工程學院， 湖南長沙410082)

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結(jié)構(gòu)名義剛重比對隔震效果影響的試驗研究

尚守平, 束洋

(湖南大學土木工程學院， 湖南長沙410082)

為判斷結(jié)構(gòu)是否能采用隔震結(jié)構(gòu)，在試驗的基礎上，結(jié)合理論與設計經(jīng)驗，提出了一種新的科學指標，即結(jié)構(gòu)名義剛重比λ，并為了簡化計算，給出了一種合理的上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度代替實際抗側(cè)剛度。試驗對象為一個采用鋼筋瀝青隔震墩為隔震層的框架結(jié)構(gòu)，通過改變結(jié)構(gòu)的名義剛重比，對多種工況下的框架模型進行振動臺激振試驗，得到結(jié)構(gòu)在不同名義剛重比下的減震效果，同時計算機模擬了不同于試驗類型的結(jié)構(gòu)在不同名義剛重比下的減震效果。將試驗和計算機模擬的結(jié)果進行匯總比較，發(fā)現(xiàn)名義剛重比對不同類型的結(jié)構(gòu)的減震效果都有明顯的影響，即隨著名義剛重比λ的增加，減震系數(shù)明顯減小,表明名義剛重比在判斷結(jié)構(gòu)是否采用隔震結(jié)構(gòu)上的科學性。在名義剛重比大于0.5時，宜采用隔震結(jié)構(gòu)。

名義剛重比；隔震墩；振動臺試驗；隔震結(jié)構(gòu)；減震效果

地震是一種能造成巨大危害的自然災害，針對中國廣大的農(nóng)村地區(qū)，湖南大學科研小組于2009年研發(fā)了鋼筋瀝青復合隔震層[1-2]，并獲得國家發(fā)明專利，在此基礎上繼續(xù)研發(fā)出鋼筋瀝青復合隔震墩[3]。通過大量試驗研究以及實際工程證明其具有造價低廉、施工方便、減震效果優(yōu)異等優(yōu)點。

《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)[4]規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)采用隔震結(jié)構(gòu)時結(jié)構(gòu)高寬比宜小于4,此判斷條件最大的優(yōu)點是簡便，非常易于判斷。但實際發(fā)現(xiàn)有些建筑物在不符合此條件下，仍具有良好的隔震性能，也發(fā)現(xiàn)有些建筑物在符合此條件下，隔震效果卻不太好，國內(nèi)學者因此對高寬比的隔震影響做了相關研究[5-8]?；A隔震是利用隔震層很小的水平剛度，加大結(jié)構(gòu)的基本自振周期而減小上部結(jié)構(gòu)運動的加速度，從而大大減小上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用[9-12]。另外，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的基本自振周期也有明顯的影響。在此基礎上，提出了名義剛重比λ的概念，即上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度與隔震層水平剛度的比值和上部結(jié)構(gòu)重力與隔震層豎向承載力比值的乘積。

本文中給出的名義抗側(cè)剛度并不是為了準確地反映實際抗側(cè)剛度，而是為了簡化實際抗側(cè)剛度的計算，便于設計而提出的一種符合剛度變化規(guī)律的名義抗側(cè)剛度。

1　隔震層水平剛度及上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度計算

1.1隔震層水平剛度計算

(a)　　(b)圖1　隔震墩圖Fig.1　A model of isolation pier

本試驗采用的鋼筋瀝青隔震墩如圖1所示。

根據(jù)文獻[13]，單個隔震墩水平剛度K和豎向承載力P的計算式如下:

(1)

(2)

式中：n為一個隔震墩中的豎向鋼筋根數(shù)，E為鋼筋的彈性模量，I為鋼筋截面慣性矩，h為隔震墩鋼筋的凈高度。

本試驗隔震層由8個在結(jié)構(gòu)底部放置的隔震墩組成，所以隔震層的剛度和豎向承載力為：

1.2上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度計算

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)實際抗側(cè)剛度隨結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,定義上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度K上：

(3)

式中：m表示縱向的跨數(shù)，s表示橫向的跨數(shù)，n表示樓層層數(shù)，i表示第i層層號，spi表示第i層橫向所有榀框架的總跨數(shù)和，Aj表示每跨對抗側(cè)剛度的提供值。Aj的取值見表1。

表1　Aj的取值Tab.1　Value of Aj

試驗取了7種工況，通過在框架頂端施加水平牽引力可以測得上部結(jié)構(gòu)實際抗側(cè)剛度K實，具體過程在此不贅述，與采用公式(3)算出名義抗側(cè)剛度值K上匯總見表2。

表2　不同工況下上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度和實際抗側(cè)剛度Tab.2　Stiffness and nominal stiffness under different conditions

從表2可以看出，上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度K上的變化與實際抗側(cè)剛度K實的變化基本一一對應，即名義抗側(cè)剛度可以反映上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)實際剛度的變化規(guī)律。因此，在名義剛重比的定義中，用名義抗側(cè)剛度代替實際抗側(cè)剛度。

2　框架模型振動臺試驗設計

2.1試驗裝置

隔震層共采用8個隔震墩，在振動臺四角平均放置。隔震層上部結(jié)構(gòu)模型分別為2層和3層框架，X、Y、Z方向?qū)目傮w尺寸：2層L×B×H=1.5 m×1.5 m×2 m，3層L×B×H=1.5 m×1.5 m×3 m。柱尺寸：型鋼H125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mm，梁尺寸：型鋼H100 mm×50 mm×5 mm×7 mm,樓板采用10 mm厚鋼板，斜撐采用槽鋼，每層頂部布置約2 t混凝土質(zhì)量塊，1層底部布置約1 t混凝土質(zhì)量塊?？蚣馨卜旁谏喜夸撈脚_上，柱腳通過螺栓連接。隔震層下部鋼平臺與液壓式低頻激振器連接。該試驗模型的連接都采用高強螺栓連接。試驗模型尺寸見圖2、圖3，圖中單位尺寸為mm。

(a) 2層框架單位：mm

(b) 3層框架

圖2試驗模型立面圖

Fig.2Elevation view of test mode

2.2試驗方案

本試驗通過液壓式低頻激振器對結(jié)構(gòu)輸入地震動模擬水平地震作用，激振方向為X方向。下部鋼平臺和結(jié)構(gòu)頂部相同位置布置1個加速度傳感器。傳感器為中國地震局工程力學研究所研制的941B型低頻拾振器，數(shù)據(jù)智能采集與信號分析采用inv306專業(yè)系統(tǒng)。

試驗通過輸入加速度幅值分別為70 cm/s2、125 cm/s2、220 cm/s2的El波和Taft波測框架的動力反應。試驗裝配示意圖如圖4，隔震墩安放見圖5。

圖4試驗裝配示意圖

Fig.4Test setup poster

圖5隔震墩安放圖

Fig.5Isolated pier placement diagram

3　試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1定義隔震系數(shù)和名義剛重比

定義隔震系數(shù)β：

(4)

式中：α1為臺面的加速度最大值，α2為隔震后結(jié)構(gòu)頂層加速度反應最大值。

定義名義剛重比λ：

(5)

式中：P隔為隔震層的豎向承載力，G上為上部結(jié)構(gòu)的重力，K上為上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度，K隔為隔震層水平剛度。

3.2不同工況下的隔震系數(shù)對比

通過振動臺輸入El波、Taft波得到頂層加速度反應幅值平均值，計算出各工況下的頂層隔震系數(shù)。另外計算機模擬了不同于試驗的結(jié)構(gòu)類型，增加了C、D、E三大類工況，具體工況見表3。用VB語言編寫時程分析程序[14]分析，與試驗結(jié)果相對比，結(jié)果匯總于表4。C、D、E工況是以選取的RC框架結(jié)構(gòu)為基礎，標準層層高為3.6 m，板厚為100 mm，方形柱寬400 mm,橫向框架為3跨，總共為9榀，邊跨跨度為7.2 m,中間跨跨度為3 m，縱向每跨跨度均為3.6 m。除去中間7榀橫向框架中間跨未布置填充墻，其他位置隔均布置填充墻。震墩鋼筋選用高度為280 mm的φ10鋼筋。單個隔震墩的具體參數(shù)，水平剛度K和豎向承載力P如下：

,。表3　C、D、E工況表Tab.3　Details of test C、D、E

表4　不同工況對比Tab.4　Comparison of different conditions

3.3結(jié)果分析

從表4中可以看出：

①A，B，D，E四大類工況中，當結(jié)構(gòu)的高寬比都相同時，減震系數(shù)有明顯的差別。尤其對于A1和A2工況，A1工況下的隔震系數(shù)為0.82,而A2為0.26。

②A、B工況和C、D、E工況下減震系數(shù)和名義剛重比的數(shù)據(jù)擬合見圖6和圖7。

圖6A、B工況下數(shù)據(jù)擬合圖

Fig.6Fitting of data of test A and B

圖7C、D、E工況數(shù)據(jù)擬合圖

Fig.7Fitting data of test C、D and E

圖6為試驗的實際工況，圖7為計算機的模擬工況。兩者的整體趨勢都是隨著名義剛重比的增加，減震系數(shù)明顯的減小。且試驗所取的為鋼框架結(jié)構(gòu)，計算機模擬的為RC框架結(jié)構(gòu)，說明本文所定義名義剛重比對不同結(jié)構(gòu)的實用性，也說明名義剛重比公式的合理性。

③圖6和圖7中雖然均存在個別不符合整體趨勢的點，但都發(fā)生在減震系數(shù)比較小的工況下，對判斷是否采用隔震結(jié)構(gòu)沒有影響。對于工程實際，認為當減震系數(shù)小于0.65時隔震效果良好。此時存在一個最小名義剛重比限值λmin為0.5。

4　工程實例

某幢公寓的建筑平面尺寸為長24 m，寬4.8 m；層數(shù)為6層；建筑總高度為21.6 m；隔震支座采用鋼筋—瀝青復合隔震墩(隔震墩鋼筋選用凈高度為270 mm的φ8鋼筋)；場地類別為Ⅱ類；設防烈度為七度。結(jié)構(gòu)建筑平面布置見圖8。

單位：mm

上部結(jié)構(gòu)為RC框架結(jié)構(gòu)，墻厚均為240 mm,總重力為3 594.2 kN,高寬比為4.5。隔震層布置200個隔震墩，單個隔震墩水平剛度K和豎向承載力P為：

隔震層的水平剛度為14.6 kN/mm，豎向承載力為8 140.0 kN。

上部結(jié)構(gòu)名義抗側(cè)剛度為：

名義剛重比為：

經(jīng)計算，該公寓的高寬比為4.5不滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50010-2010)12.1.3第1款規(guī)定。但名義剛重比為0.64大于最小限定值(0.5)。采用3.2節(jié)中分析采用時程分析程序和地震波，計算出減震系數(shù)平均值為0.586，說明隔震效果良好，也符合3.3節(jié)所得到的結(jié)論。

5　結(jié)　論

本文根據(jù)試驗和數(shù)值模擬，分析了名義剛重比和高寬比對結(jié)構(gòu)隔震性能的影響，得到以下結(jié)論：

①本文綜合國內(nèi)外近年對隔震的研究和發(fā)展，提出名義剛重比的概念來判斷結(jié)構(gòu)是否適用隔震結(jié)構(gòu)，名義剛重比易于計算，非常適合工程設計。

②根據(jù)試驗和計算機數(shù)值模擬結(jié)果均顯示，名義剛重比作為衡量建筑是否采用隔震結(jié)構(gòu)的依據(jù)更為科學，以高寬比作為判斷隔震技術(shù)是否適用于建筑結(jié)構(gòu)，有待進一步研究。

③擬合隔震系數(shù)與名義剛重比的數(shù)據(jù)，可以得到隨著名義剛重比增加，減震系數(shù)明顯減小的趨勢。在名義剛重比大于0.5時，結(jié)構(gòu)具有良好的隔震效果，宜采用隔震結(jié)構(gòu)。

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(責任編輯唐漢民梁健)

Experimental study on effect of structural nominal stiffness to weight ratio on seismic isolation

SHANG Shou-ping，SHU Yang

(College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082,China)

To determine whether seismic isolation structure can be used in a structure, a new factor, named as nominal stiffness/weight ratioλ, is put forward, which is based on the experiment, theory and design experience. And in order to simplify the calculation, a reasonable nominal lateral stiffness is presented to replace the actual lateral stiffness. The test object is a frame structure with reinforced asphalt base isolation layer. After the shaking table test is carried out on the frame structure under various operation conditions by changing the nominal stiffness/weight ratio of the structure, the damping effect of different stiffness/weight ratio of the frame structure is obtained, and the damping effect of different types of structures under different nominal stiffness/weight ratios is simulated by computer. Comparison between the results from experiment and computer simulation shows that the nominal weight/stiffness ratio has obvious effect on different types of structures. The damping coefficient decreases with the increase of the nominal stiffness/weight ratio. So the nominal weight/stiffness ratio is reasonable in determining whether the seismic isolation structure can be used in a structure. When the nominal stiffness/weight ratio is larger than 0.5, the seismic isolation structure is suitable for a structure.

nominal stiffness/weight ratio; isolation pier; shaking table test; isolation structure; damping effect

2016-03-22；

2016-06-13

國家十二五科技支撐項目(2011BAJ08800)；湖南省科技計劃重點項目(06sk4057)

尚守平(1953—)，男，山東黃縣人，湖南大學教授，博士生導師，博士；E-mail: sps@hnu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0923

TU352

A

1001-7445(2016)04-0923-07

引文格式：尚守平, 束洋.結(jié)構(gòu)名義剛重比對隔震效果影響的試驗研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：923-929.