周旺旺，劉德穩(wěn)，2，陳李昊，劉 陽，楊 帆

（1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，昆明 650000；2.西南林業(yè)大學(xué)博士后流動(dòng)站，昆明 650000；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200123）

層間隔震結(jié)構(gòu)是在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型隔震結(jié)構(gòu)，近年來成為防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，兩種隔震結(jié)構(gòu)的對(duì)比如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)示意圖

宋曉等[1]基于Timoshenko理論建立層間隔震連續(xù)化分析模型，研究層間隔震結(jié)構(gòu)減震效果隨隔震層位置、隔震層剛度、阻尼變化的影響規(guī)律。劉彥輝等[2]分別采用剛度非退化和退化的Bouc-Wen模型模擬隔震層及其他樓層的恢復(fù)力特性，運(yùn)用虛擬激勵(lì)法對(duì)層間組合隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析。張瑞甫等[3]提出采用慣容隔震系統(tǒng)提高能量耗散效率控制地震響應(yīng)，并以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)證了方法的有效性。崔俊偉等[4-5]針對(duì)大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行了抗震性能分析與結(jié)構(gòu)方案選型及設(shè)計(jì)。Wang等[6-7]對(duì)基礎(chǔ)隔震與層間隔震建筑的動(dòng)力性能差異進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Skandalos等[8]針對(duì)層間隔震計(jì)算產(chǎn)生的混合整數(shù)問題，對(duì)求解連續(xù)變量問題的元啟發(fā)算法和無導(dǎo)數(shù)算法進(jìn)行了比較評(píng)價(jià)。Tsuneki 等[9]指出相對(duì)于基礎(chǔ)隔震，高層建筑層間隔震結(jié)構(gòu)在中間設(shè)置隔震層，上部結(jié)構(gòu)具有較高的抗震能力體系的物理性能。Kim等[10]對(duì)某高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了智能中層隔離控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由橡膠軸承和磁流變阻尼器組成，結(jié)果表明該方法能有效地減少地震引起的層間和隔震體位移。譚潛等[11]對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)特征進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)具有低幅值、長(zhǎng)持時(shí)、頻譜長(zhǎng)周期段幅值較大的特點(diǎn)。顏桂云等[12-13]探討在遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)激勵(lì)下，對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減震性能分析。目前，層間隔震研究主要集中在普通地震以及少部分的近斷層地震研究[14-16]，缺少遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)影響的相關(guān)研究。

以上均為水平向地震下的層間隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究，但實(shí)際地震具有多維特性，只考慮水平往往不夠真實(shí)全面，而且遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震不同于普通地震，具有長(zhǎng)持時(shí)、低頻成分豐富等特征，可能會(huì)對(duì)隔震類等周期較大的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，值得探討?；诖?，本文首先建立大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)模型，接著輸入六條三維遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震和三條三維普通地震，然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，探討層間隔震的減震性能。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

某9 層大底盤框架層間隔震結(jié)構(gòu)，上部塔樓長(zhǎng)寬均為18 m，下部底盤長(zhǎng)寬均為30 m，總高度為34.8 m，下部底盤2 層高4 m，上部塔樓層高均為3.6 m，在底盤與塔樓連接處設(shè)置1.6 m的隔震層。設(shè)防烈度8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g，場(chǎng)地類別Ⅱ類，地震設(shè)計(jì)分組第二組。底盤柱尺寸為900 mm×900 mm，梁尺寸為350 mm×700 mm；塔樓柱尺寸為700 mm×700 mm，梁尺寸為300 mm×600 mm，柱、梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，鋼筋材料縱筋為HRB400，箍筋為HPB300，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm。大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)的3D 圖、立面圖如圖2所示。

圖2 大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)圖

1.2 模型建立

運(yùn)用有限元軟件ETABS 建立大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)模型，隔震支座根據(jù)總水平屈服力為重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值下基底豎向反力的2%來布置，結(jié)構(gòu)角柱隔震支座均使用LRB700 鉛芯橡膠隔震支座，邊柱使用LRB600 鉛芯橡膠隔震支座，其余柱子使用LNR500 橡膠隔震支座，隔震支座布置如圖3 所示，隔震支座參數(shù)如表1 所示。梁柱采用空間梁柱單元，樓板采用殼單元，隔震支座采用Ⅰsolator 單元，C40 混凝土采用Takeda 滯回類型，HPB300 和HRB400鋼筋均采用Kinematic滯回類型?？蚣苤捎美w維P-M2-M3 鉸，框架梁和連梁兩端采用M3鉸。

表1 隔震支座產(chǎn)品規(guī)格

圖3 隔震支座布置圖

1.3 地震波選取

從美國(guó)太平洋地震中心選取6條臺(tái)灣集集遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震，其中三條遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和長(zhǎng)周期地震波CHY092、ⅠLA004、TCU006，三條遠(yuǎn)場(chǎng)非類諧和長(zhǎng)周期地震波TTN008、KAU015、TAP012，以及三條普通地震遷安波、上海人工波和天津波，三向地震分量的加速度比值按1:0.85:0.65 比例調(diào)整，地震波信息如表2所示，加速度反應(yīng)譜如圖4所示。

圖4 加速度反應(yīng)譜

表2 地震波信息

2 三維地震下層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

2.1 結(jié)構(gòu)周期

抗震結(jié)構(gòu)與層間隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比如表3所示。

由表3可知：層間隔震結(jié)構(gòu)前6階周期均大于抗震結(jié)構(gòu)，最大結(jié)構(gòu)周期由1.338 s 擴(kuò)大至3.079 s，放大了2.3倍，這是由于層間隔震結(jié)構(gòu)中添加的隔震支座使結(jié)構(gòu)整體變?nèi)幔芷谘娱L(zhǎng)。

表3 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

2.2 三維地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

將地震峰值調(diào)幅至4 m/s2，進(jìn)行8度罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析，對(duì)結(jié)構(gòu)分別輸入三條普通地震波，三條遠(yuǎn)場(chǎng)非類諧和地震波、三條遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波，得出結(jié)構(gòu)的層間位移角對(duì)比如圖5，基底剪力對(duì)比如圖6，由對(duì)比結(jié)果分析層間隔震的減震率，減震率=（抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)-隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)）/抗震結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

由圖5可知：三維地震激勵(lì)下，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期的層間位移角遠(yuǎn)大于普通地震。在三維普通地震、三維遠(yuǎn)場(chǎng)非類諧和地震、三維遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震激勵(lì)下，層間隔震上部結(jié)構(gòu)平均減震率分別為0.60、0.50、0.43，下部結(jié)構(gòu)平均減震率分別為0.61、0.30、0.26，由此可知，層間隔震上部結(jié)構(gòu)減震性能優(yōu)于下部結(jié)構(gòu)，在三維普通地震激勵(lì)下減震性能優(yōu)于遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震，這是由于遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期中長(zhǎng)周期成分的影響，使減震性能降低，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震中的類諧和成分也會(huì)使減震性能降低。此外，根據(jù)規(guī)范[17]要求，隔震結(jié)構(gòu)上部層間位移角限值為0.005，結(jié)構(gòu)下部層間位移角限值為0.004。在三維遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)層間位移角存在超限問題。

圖5 結(jié)構(gòu)層間位移角對(duì)比圖

由圖6可知：三維地震激勵(lì)下，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期的層間剪力遠(yuǎn)大于普通地震。在三維普通地震、三維遠(yuǎn)場(chǎng)非類諧和地震、三維遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震激勵(lì)下，層間隔震上部結(jié)構(gòu)平均減震率分別為0.68、0.67、0.34，下部結(jié)構(gòu)平均減震率分別為0.67、0.65、0.32，由此可知，結(jié)構(gòu)上部減震率略優(yōu)于下部減震率，層間隔震結(jié)構(gòu)在三維遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震作用下減震效果變差。

圖6 結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比圖

2.3 三維地震下隔震支座位移

三維地震激勵(lì)下，層間隔震結(jié)構(gòu)的隔震支座位移如表4所示。

由表4可知：根據(jù)隔震支座水平位移限值要求，支座位移不超過0.55 倍支座有效直徑和3.0 倍橡膠總厚度的最小值，最小值為0.55×700=385 mm。三維地震激勵(lì)下，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期的支座位移遠(yuǎn)大于普通地震，其中遠(yuǎn)場(chǎng)非類諧和地震產(chǎn)生的最大位移為483.2 mm，超過限值的0.25倍；遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震產(chǎn)生的最大位移為775.4 mm，超過限值的1.01 倍，將導(dǎo)致隔震支座發(fā)生破壞。

表4 隔震支座位移

3 三維隔震支座與傳統(tǒng)水平隔震支座地震響應(yīng)分析對(duì)比

層間隔震結(jié)構(gòu)中隔震層支座一旦發(fā)生破壞，會(huì)引起隔震層減震作用失效，造成更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞。針對(duì)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)層間位移角與隔震支座位移超限問題，將傳統(tǒng)水平隔震支座替換為三維隔震支座，三維隔震支座分為兩部分，上部為豎向隔震部分，下部為水平隔震部分，三維隔震支座構(gòu)造如圖7 所示。水平隔震部分布置相同的LRB700、LRB600 和LNR500 隔震支座，在豎直方向設(shè)置碟形彈簧支座，碟形彈簧采用高強(qiáng)度鋼材60Si2MnA，材料參數(shù)為：彈性模量2.05×105MPa、屈服強(qiáng)度1 500 MPa、切線模量75 MPa和泊松比0.3。并在隔震層處設(shè)置黏滯阻尼器配合進(jìn)行隔震，黏滯阻尼器在ETABS中通過Damping單元進(jìn)行模擬，該單元可模擬一種無剛度、速度相關(guān)型耗能器，其阻尼力公式如下為：

圖7 三維隔震支座構(gòu)造圖

式中：Cd為阻尼系數(shù)；V為阻尼器速度；α為速度指數(shù)。

工程中速度指數(shù)一般為0.3～0.6，本文選取速度指數(shù)為0.3，黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)為1 200 kN·s/m。用此三維隔震支座替換傳統(tǒng)水平隔震支座，在罕遇地震下進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，與傳統(tǒng)水平隔震支座進(jìn)行減震對(duì)比分析。

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比

輸入三維地震動(dòng)，取每類地震的包絡(luò)值，三維隔震支座結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)的層間位移角結(jié)果對(duì)比如圖8所示，層間剪力對(duì)比如圖9所示。

圖9 結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比圖

由圖8可知：在三維地震激勵(lì)下，三維隔震支座減震性能均優(yōu)于傳統(tǒng)水平隔震支座，普通地震下降低了33%結(jié)構(gòu)響應(yīng)，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震下降低了61%～69%結(jié)構(gòu)響應(yīng)，產(chǎn)生的上部結(jié)構(gòu)最大層間位移角為0.004 97，下部結(jié)構(gòu)最大層間位移角為0.002 3，均不超過規(guī)范限值。

圖8 結(jié)構(gòu)層間位移角對(duì)比圖

由圖9可知：在三維地震激勵(lì)下，三維隔震支座減震性能優(yōu)于傳統(tǒng)水平隔震支座，普通地震下降低了23%結(jié)構(gòu)響應(yīng)，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震下降低了44%～61%結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3.2 支座位移對(duì)比

罕遇地震下，輸入三維地震動(dòng)，傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)與三維隔震支座結(jié)構(gòu)的支座位移對(duì)比如表5所示。

由表5可知：在三維地震激勵(lì)下，三維隔震支座產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)水平隔震支座，支座位移最大值為348.9 mm，不超過支座限值的385 mm，符合要求。

表5 隔震支座位移

3.3 豎向減震能力對(duì)比

罕遇地震下，輸入三維地震動(dòng)，取每類地震的包絡(luò)值，兩種不同隔震支座結(jié)構(gòu)對(duì)豎向地震力的減震能力對(duì)比如表6、表7所示。

由表6、表7 可知：三維隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)的最大豎向位移、頂層豎向加速度都有明顯降低，豎向支座位移降低了30 %～44 %，頂層豎向加速度降低了65%～72%，分析結(jié)果表明，三維隔震支座比傳統(tǒng)水平隔震支座具有更好的豎向地震減震性能。

表6 隔震支座對(duì)豎向位移的影響

表7 隔震支座對(duì)頂層豎向加速度的影響

4 結(jié)語

建立了某大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)模型，輸入三維地震動(dòng)，進(jìn)行罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析。針對(duì)三維遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震下，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的層間位移角與隔震支座位移超限問題，設(shè)置三維隔震支座，并與傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震響應(yīng)分析對(duì)比，得到以下結(jié)論：

（1）層間隔震結(jié)構(gòu)在三維遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)遠(yuǎn)大于三維普通地震，并且出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層間位移角與隔震支座位移超限問題，尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震中的類諧和成分對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更不利影響。

（2）在三維普通地震、三維遠(yuǎn)場(chǎng)非類諧和地震、三維遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震分別激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)層間位移角上下部減震率區(qū)間為0.60～0.61、0.30～0.50、0.26～0.43，層間剪力上下部減震率區(qū)間為0.67～0.68、0.65～0.67、0.32～0.34，層間隔震在三維普通地震激勵(lì)下減震效果表現(xiàn)良好，在三維遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震激勵(lì)下減震效果變差。

（3）設(shè)置三維隔震支座后，層間隔震在三維遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震下減震效果表現(xiàn)良好，三維隔震支座各項(xiàng)減震性能均優(yōu)于傳統(tǒng)水平隔震支座，并且解決了結(jié)構(gòu)層間位移角與隔震支座超限問題，結(jié)構(gòu)更具安全性，對(duì)豎向地震力也表現(xiàn)出良好的減震性能。