田坤劉文光魏陸順

（1.上海大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200073）（2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木建筑系，佛山 528000）

分離式三維隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)振動臺試驗對比研究*

田坤1劉文光1魏陸順2

（1.上海大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200073）（2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木建筑系，佛山 528000）

提出了一種分離式三維隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，將豎向隔震層和水平隔震層分開布置，實現(xiàn)它們的解耦，進行設(shè)計計算時更加方便快捷.根據(jù)這種方法制作了一個2層鋼框架模型，與非隔震結(jié)構(gòu)模型一同進行振動臺試驗，對試驗結(jié)果進行對比分析，試驗結(jié)果表明分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型加速度反應(yīng)和層剪力均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，三維隔震效果良好.

水平隔震，豎向隔震，三維隔震，振動臺試驗，搖擺角控制

引言

我國處于地中海南亞地震帶與太平洋地震帶交界處，這使得我國地震頻發(fā)，并且烈度高，破壞性大.傳統(tǒng)觀點認為，對結(jié)構(gòu)破壞起決定性作用的是水平方向地震力，因此國內(nèi)外學(xué)者在水平隔震技術(shù)方面進行了大量的試驗與研究［1-8］，水平隔震技術(shù)研究成熟，應(yīng)用廣泛.但是在高烈度區(qū)，特別是在震中和發(fā)震斷層附近，豎向地震分量很大，對建筑物的破壞作用不可輕視.因此，國內(nèi)外學(xué)者對三維隔震技術(shù)也進行了大量試驗研究［9-10］.傳統(tǒng)的三維隔震結(jié)構(gòu)是通過在結(jié)構(gòu)底部安裝三維隔震支座來實現(xiàn)三維隔震的，因此三維隔震技術(shù)的研究大部分是伴隨著三維隔震支座的開發(fā)進行的.本文提出了一種分離式三維隔震設(shè)計方法：將豎向隔震層與水平隔震層分開布置，分別設(shè)置水平隔震層和豎向隔震層.這種設(shè)計方法實現(xiàn)了水平方向與豎直方向的解耦，使設(shè)計計算更加方便.為驗證這種三維隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的三維隔震效果，分別制作了三維隔震結(jié)構(gòu)模型和非隔震結(jié)構(gòu)模型，并進行了振動臺試驗.

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

三維隔震結(jié)構(gòu)模型（圖1左）在1層與振動臺臺面之間設(shè)置水平隔震層，由4個鉛芯橡膠支座組成，來實現(xiàn)水平隔震；在1層與2層之間設(shè)置豎向隔震層，由4根鋼彈簧、4根豎向?qū)к壓?個粘滯阻尼器組成，實現(xiàn)豎向隔震，如圖2所示.模型兩側(cè)沿X方向分別安裝2根豎向?qū)к墸Y(jié)構(gòu)Y方向搖擺控制較強.為保證非隔震結(jié)構(gòu)模型的高度不變，將豎向隔震裝置用鋼連接件代替（圖1右）.

圖1 三維隔震結(jié)構(gòu)模型 非隔震結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Separation type3D isolated structure and non-isolated structure

圖2 豎向隔震層Fig.2 Vertical isolation layer

三維隔震結(jié)構(gòu)模型上部結(jié)構(gòu)為2層鋼框架結(jié)構(gòu)，X向邊長為1m，Y向邊長為1.6m，層高1m，1層與2層之間設(shè)置40cm高豎向隔震層，模型總高度為2.4m.非隔震結(jié)構(gòu)模型在1層與2層之間安裝40cm高的鋼連接件.模型1層安裝2塊1.2t的配重塊，2層安裝1塊1.2t配重塊，總配重為3.6t，鋼框架總重為2.4t，結(jié)構(gòu)模型總重為6t.模型X方向高寬比為2.4，Y方向高寬比為1.5.

2 模型相似系數(shù)

相似理論是模型試驗的基礎(chǔ)，進行結(jié)構(gòu)模型試驗的目的是通過模型試驗的結(jié)果預(yù)測分析原型結(jié)構(gòu)的性能，為我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供幫助.相似理論中最重要的三個物理量是：長度、力與時間.在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計和試驗中，必須通過量綱分析來確定模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的相似比.此次振動臺試驗采用的相似比見表1.

表1 試驗相似比Table 1 Similarity ratio

3 試驗工況

此次振動臺試驗共選用了以下4條地震波：1940年El-Centro（El）波、1952年Taft（Ta）波、1968 年Hachinohe（Ha）波和1999年臺灣集集地震TCU068（Chi）波，詳見表2.

表2 試驗選用地震波Table 2 Seismic waves

此次振動臺試驗共進行了10個工況的試驗：水平單向加載頻率為4Hz的正弦波、豎向單向加載頻率為4Hz的正弦波、分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型4條地震波XYZ三方向加載試驗和非隔震結(jié)構(gòu)模型4條地震波XYZ三方向加載試驗.水平方向單向加載正弦波用以測定水平隔震層鉛芯橡膠支座的力學(xué)性能，豎向單向加載正弦波用以測定豎向隔震層豎向隔震裝置的力學(xué)性能.

在模型與振動臺臺面之間安裝三向力傳感器，用來測定鉛芯橡膠支座三個方向所受的力；在分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型的豎向隔震層安裝拉壓力傳感器，用來測定豎向隔震裝置所受的力；在分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型的水平隔震層和豎向隔震層安裝激光位移傳感器，分別測定水平隔震層的水平位移和豎向隔震層的豎向位移；在振動臺臺面和模型的各層分別安裝加速度傳感器，用來測定三個方向的加速度.

4 試驗結(jié)果分析

4.1 豎向隔震層反應(yīng)

為了確定豎向隔震裝置的性能，進行了豎直方向單向加載頻率為4Hz正弦波的工況試驗，得到豎向隔震裝置的滯回曲線，如圖3所示，對滯回曲線進行簡化，計算得到阻尼比為0.34.

圖3 豎向滯回曲線Fig.3 Vertical hysteretic curve

從圖3中豎向隔震裝置的滯回曲線可以看出，滯回曲線中受壓產(chǎn)生的位移小于受拉產(chǎn)生的位移，并且呈現(xiàn)出兩剛度的特性，這是由試驗中所采用的阻尼器特點所導(dǎo)致的.當(dāng)阻尼器受壓時，阻尼器中間導(dǎo)桿對阻尼液有剪切和擠壓的作用，當(dāng)阻尼器受拉時，導(dǎo)桿對阻尼液僅有剪切效果，導(dǎo)致了阻尼器的受壓剛度大于受拉剛度.XYZ方向三方向加載地震波時，4條地震波對應(yīng)的滯回曲線如圖4所示.

圖4 豎向隔震裝置滯回曲線Fig.4 Hysteretic curve of vertical isolation bearing

從圖4中可以看出，三向加載El地震波工況阻尼器受壓產(chǎn)生的位移與受拉產(chǎn)生的位移基本相等，三向加載Chi地震波工況阻尼器受壓產(chǎn)生的位移大于受拉產(chǎn)生的位移，三向加載Ta地震波和Ha地震波兩個工況阻尼器受壓產(chǎn)生的位移小于受拉產(chǎn)生的位移.

4.2 水平隔震層反應(yīng)

為了確定橡膠隔震支座的性能，進行了水平方向單向加載頻率為4Hz正弦波的工況試驗，得到橡膠隔震支座的滯回曲線如圖5所示.

從上圖的滯回曲線可以得到橡膠隔震支座的剛度：

屈服后剛度Kd=0.15kN/mm

卸載剛度Ku=1.39 kN/mm

等效剛度KE=0.19kN/mm

圖5 橡膠支座滯回曲線Fig.5 Hysteretic curve of rubber isolation bearing

XYZ方向三方向加載地震波時，4條地震波對應(yīng)橡膠隔震支座X方向和Y方向的滯回曲線如圖6所示，水平隔震層運動軌跡如圖7所示.

圖6 X向和Y向滯回曲線Fig.6 Hysteretic curvein X and Y direction

圖7 隔震層運動軌跡Fig.7 Motion locus of isolation layer

從隔震層運動軌跡圖可以看出，El地震波工況下，隔震層 X向最大位移為1.956mm，Y向最大位移為1.240mm，X向和Y向的最大位移幾乎同時發(fā)生，合成后的位移相對于單向位移來說較大；Ta地震波工況下，隔震層X向最大位移為1.340mm，Y向最大位移為1.404，X向和Y向的最大位移同時發(fā)生，合成后的位移相對于單向位移來說較大；Ha地震波工況下，隔震層X向最大位移為1.968 mm，Y向最大位移為3.232mm，X向最大位移和 Y向最大位移發(fā)生在不同時刻，合成后的位移與單向位移基本相同；Chi地震波工況下，隔震層X向最大位移為1.632mm，Y向最大位移為1.140mm，X向和Y向的最大位移同時發(fā)生，合成后的位移相對于單向位移來說較大.

4.3 加速度反應(yīng)對比

XYZ方向三方向加載地震波時，三維隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)在X向、Y向和Z向的加速度峰值對比如圖8所示.

圖8 加速度峰值對比Fig.8 Comparison of peak acceleration between fixed and 3D isolated structure

從圖8中可以看出，三維隔震結(jié)構(gòu)模型3個方向加速度均遠小于非隔震結(jié)構(gòu)模型的加速度.Ta地震波工況下，三維隔震結(jié)構(gòu)模型X方向加速度放大系數(shù)為0.66，非隔震結(jié)構(gòu)模型X方向加速度放大系數(shù)為3.71，是三維隔震結(jié)構(gòu)的5.62倍；三維隔震結(jié)構(gòu)模型Y方向加速度放大系數(shù)為0.37，非隔震結(jié)構(gòu)模型Y方向加速度放大系數(shù)為2.48，是三維隔震結(jié)構(gòu)的6.70倍；三維隔震結(jié)構(gòu)模型Z方向加速度放大系數(shù)為0.34，非隔震結(jié)構(gòu)模型Z方向加速度放大系數(shù)為1.46，是三維隔震結(jié)構(gòu)的4.29倍，3個方向的隔震效果非常明顯.

4.4 層剪力對比

XYZ方向三方向加載地震波時，三維隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在X向和Y向的層剪力峰值對比如圖9所示.

圖9 層剪力對比Fig.9 Comparison of floor shear between fixed and 3D isolated structure

從層剪力峰值對比圖可以看出，El地震波工況下，分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型水平隔震層X向和Y向剪力僅為非隔震結(jié)構(gòu)模型的0.19倍和0.10倍；Ta地震波工況下，分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型水平隔震層X向和Y向剪力僅為非隔震結(jié)構(gòu)模型的0.08倍和0.11倍；Ha地震波工況下，分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型水平隔震層X向和Y向剪力僅為非隔震結(jié)構(gòu)模型的0.07倍和0.10倍；Chi地震波工況下，分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型水平隔震層X向和Y向剪力僅為非隔震結(jié)構(gòu)模型的0.16倍和0.14 倍.

4.5 三維隔震結(jié)構(gòu)傾角

三維隔震結(jié)構(gòu)遭受地震作用時，4套豎向隔震裝置產(chǎn)生的豎向位移不同，因此會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向傾角.假設(shè)豎向隔震層上部結(jié)構(gòu)繞結(jié)構(gòu)的中點旋轉(zhuǎn)，豎向隔震層上部結(jié)構(gòu)重量使豎向隔震層產(chǎn)生的靜位移為Δ0，定義r為轉(zhuǎn)角系數(shù)：

上式中θ為結(jié)構(gòu)豎向傾角，B為結(jié)構(gòu)邊長.

轉(zhuǎn)角系數(shù)r反映的是豎向隔震裝置的受力狀態(tài)，當(dāng)r的值超過1的時候，說明豎向隔震裝置處于受拉狀態(tài).豎向隔震裝置不能承受拉力作用，設(shè)計時應(yīng)避免這種情況的發(fā)生.

XYZ方向三方向加載地震波時，三維隔震結(jié)構(gòu)X方向和Y方向的豎向傾角和轉(zhuǎn)角系數(shù)見表3.

從表3看出，進行XYZ方向三方向加載試驗時，除Ha波工況外，結(jié)構(gòu)X方向產(chǎn)生的豎向傾角最大值為0.0043，轉(zhuǎn)角系數(shù)為0.0319；結(jié)構(gòu)Y方向產(chǎn)生的豎向傾角最大值為0.0017，轉(zhuǎn)角系數(shù)為0.0205.結(jié)構(gòu)X方向產(chǎn)生的豎向傾角均大于Y方向豎向傾角，與模型設(shè)計時在X邊安裝導(dǎo)軌進行Y方向強控制是相符的.Ha地震波工況X方向與Y方向的豎向傾角相近，根據(jù)Ha地震波的反應(yīng)譜分析，結(jié)構(gòu)Y向的搖擺頻率與反應(yīng)譜的峰值頻率相近引起共振，使Ha波工況Y向結(jié)構(gòu)傾角增大.

表3 XYZ方向加載結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角系數(shù)Table 3 Rotation angel and rotation coefficient of structure

5 結(jié)論

通過對試驗結(jié)果的分析，可以看到分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型在X方向、Y方向和Z方向的加速度峰值相對于非隔震結(jié)構(gòu)有明顯的減小，三維隔震結(jié)構(gòu)模型XYZ方向加速度放大系數(shù)僅為非隔震結(jié)構(gòu)模型的0.18、0.15和0.23.分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型水平隔震層X方向和Y方向的層剪力相對于非隔震結(jié)構(gòu)有明顯的減小，三維隔震結(jié)構(gòu)模型XY方向?qū)蛹袅H為非隔震結(jié)構(gòu)模型的0.07和0.10.加速度峰值和層剪力均有明顯減小，三維隔震效果良好.進行XYZ方向三方向加載試驗時，除Ha地震波工況外，三維隔震結(jié)構(gòu)模型X方向產(chǎn)生的豎向傾角大于Y方向豎向傾角，與結(jié)構(gòu)模型的導(dǎo)軌在Y方向進行強控制是相符的.分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型在X方向和Y方向的轉(zhuǎn)角系數(shù)r最大值分別為0.0385和0.0542，遠遠小于豎向隔震裝置受拉的極限值1，抗傾覆效果良好.

本文提出了一種分離式三維隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并按此種方法設(shè)計制作了三維隔震結(jié)構(gòu)模型，與非隔震結(jié)構(gòu)模型一同進行振動臺試驗，驗證這種分離式三維隔震結(jié)構(gòu)的三維隔震效果，并且定義了一個可以反映豎向隔震裝置受力狀態(tài)的轉(zhuǎn)角系數(shù)r.通過對試驗結(jié)果的對比分析，可以看出分離式三維隔震結(jié)構(gòu)模型的加速度反應(yīng)峰值和層剪力均小于非隔震結(jié)構(gòu)模型，三維隔震效果良好，三維隔震結(jié)構(gòu)模型的豎向傾角較小，轉(zhuǎn)角系數(shù)r遠遠小于1，三維隔震結(jié)構(gòu)模型的抗傾覆效果良好.

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COMPARATIVE STUDY OF SEPARATION TYPE THREE DIMENSIONAL ISOLATED STRUCTURE AND NON ISOLATED STRUCTURE*

Tian Kun1Liu Wenguang1Wei Lushun2

（1.Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200073，China）
（2.Department of Civil Engineering and architecture，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan 528000，China）

This paper proposes a design method for the separation type 3D isolated structure，where the vertical isolation layer and the horizontal isolation layer are in separate arrangement in order that both layers are decoupling and the design calculation ismore convenient and quicker.According to thismethod，a 2-floor steel frame model is built as a 3D isolated structure.The simulated earthquake tests on the designed isolated model and a non-isolated structuremodel are then carried outby a shaking table.The experimental results shows that peak acceleration and floor shear of the separation type 3D isolated structuremodel are less than that of the non-isolated structuremodel.It is illustrated that the effect of the 3D isolation is good.

horizontal isolation，vertical isolation，3D isolation，shaking table test，rocking angle control Received 23 March 2015，revised 4 April 2015.

E-mail：liuwg@aliyun.com

10.6052/1672-6553-2015-025

*The project supported by the NationalNatural Science Foundation of China（51278291，51308331），Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education（20133108110024）

2015-03-23收到第1稿，2015-04-14收到修改稿.

*國家自然科學(xué)基金（51278291、51308331），高等學(xué)校博士點基金（20133108110024）資助項目

E-mail：liuwg@aliyun.com