近斷層激勵下子結構組合隔震的巨-子結構試驗

顏學淵，毛會敏，吳應雄，祁皚,徐小勇

(1.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116；2.福建工程學院 生態(tài)環(huán)境與城市建設學院，福建 福州 350118)

近斷層激勵下子結構組合隔震的巨-子結構試驗

顏學淵1?，毛會敏2，吳應雄1，祁皚1,徐小勇1

(1.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116；2.福建工程學院 生態(tài)環(huán)境與城市建設學院，福建 福州 350118)

為解決受限于隔震支座的抗拉能力和結構高寬比限值、隔震技術很少應用在超高層建筑的問題，在新型巨-子結構體系的子結構底部設置由鉛芯橡膠隔震支座和彈性滑移支座組成的組合隔震層，設計制作了一個有3個巨型結構層的巨-子結構模型，對其進行了近斷層地震動及遠場地震動作用下的振動臺試驗，研究了組合隔震層對主結構和子結構振動的減震效果和近場地震對其影響.研究結果表明,子結構底部設置組合隔震層，對主結構來說相當于調諧質量阻尼器，其對主結構的地震響應具有較好的調諧減震作用；對子結構來說相當于基底隔震，其對子結構的地震響應具有顯著的隔震效果.由于脈沖效應，近斷層地震動作用下主結構和子結構的地震響應都要大于相同場地的遠場地震動.

巨-子結構；組合隔震；近斷層地震動；振動臺試驗；振動控制

巨型框架結構由2級結構組成，是一種新型的結構形式，具有整體性好、抗側剛度大、傳力明確等特點.高層和超高層建筑由于荷載大、重心高，且受限于隔震支座的抗拉能力和結構高寬比限值，基礎隔震較少應用在高寬比較大的高層建筑和超高層建筑[1-2].如果把巨型框架中主結構和子結構的連接斷開，在子結構的底部設置隔震層，每個子結構相當于一個基礎隔震結構；隔震子結構相對于主結構來說，則是一個大質量的調諧質量阻尼器(TMD)，多個隔震子結構就是MTMD；可以解決橡膠墊隔震技術在高層建筑中應用的難題，整個結構體系具有調諧減振、基礎隔震和耗能減振等多種減振功能.

Feng等[3]率先提出了巨型框架減振結構模型及振動控制策略.藍宗建等[4-6]給出了巨型框架多功能減振結構的三維簡化計算模型；通過時域和頻域分析，研究了巨型框架多功能減振結構體系在地震和風荷載作用下的減振效果；對鋼筋混凝土巨型框架結構及隔震結構進行了振動臺試驗.張洵安等[7-8]提出了巨子型有控結構體系的運動方程，進行振動控制參數(shù)分析；研究了巨子型有控結構體系在罕遇地震及超罕遇地震時的結構響應控制特性、塑性鉸發(fā)生規(guī)律及結構災變情況.譚平等[9-10]建立了巨-子結構層間隔震體系的分析模型與運動方程，采用復模態(tài)方法推導了該體系的隨機地震響應方差，基于NSGA-II算法提出了巨-子結構層間隔震體系參數(shù)優(yōu)化流程.陳肪健[11]、陳俊嶺[12]等研究了近場地震對結構地震響應的影響.Calugaru等[13-18]對近場地震作用下隔震結構的地震反應和抗傾覆性能等進行了分析.

綜上，巨型框架結構的相關研究主要集中在數(shù)值分析、節(jié)點及結構抗震性能方面[19-20].振動控制方法應用于巨-子結構的研究較少，且集中在理論及數(shù)值分析，試驗研究僅見個別報道[6]，也未考慮近斷層地震作用，巨型框架結構的周期較長，近斷層地震動包含的動態(tài)長周期脈沖對其地震反應有較大影響.本文通過對一基于子結構組合隔震的巨-子結構模型進行振動臺試驗，實際考察近斷層地震動、遠場地震動作用下主結構和子結構的地震響應.

1 結構模型及試驗方案

1.1 結構模型

試驗在福州大學的地震模擬振動臺系統(tǒng)上進行.結構模型是一個具有3個巨型結構層的巨型鋼框架結構，根據(jù)振動臺臺面尺寸及最大有效載荷等確定結構模型的相似系數(shù)如表1所示.結構模型含有3個子結構，從下往上依次為第1，2，3子結構；每個子結構3×2跨，3層，總高度0.78 m，由于第1子結構不與主結構直接相連，在不發(fā)生碰撞的情況下，其動力響應與主結構間的相互影響可以忽略，因此在實際振動臺模型中未設置第1子結構，僅有第2和第3子結構.模型的平、立面如圖1所示，其長跨方向為X向，跨度為1.6 m；短跨方向為Y向，跨度為1.0 m；模型總高度為3.27 m；模型結構自身質量1.851 t，質量不足部分通過增加配重滿足，每層主結構樓面配重0.28 t，子結構每層樓面配重0.55 t，模型總質量為5.991 t.每個子結構與主結構的質量比為77.6%.模型結構的構件尺寸如表2所示.

表1 模型結構相似系數(shù)

基于子結構組合隔震的巨-子結構是在結構模型每個子結構的底部布置兩個鉛芯橡膠隔震支座和兩個彈性滑移支座，同類型支座對角布置.模型支座根據(jù)上述剛度和力的相似系數(shù)及原型結構組合隔震層參數(shù)計算得到其力學參數(shù)，再進行幾何參數(shù)設計及加工；而原型結構隔震層參數(shù)經數(shù)值分析、設計及驗算得到.兩種模型支座的幾何參數(shù)及性能試驗得到的力學參數(shù)基本相同，見表3.子結構與外部巨型柱之間的隔震縫寬設置為15 mm.

(a)平面圖 (b)立面圖 (c)實物圖圖1 巨-子結構模型平、立面圖Fig.1 Plans and elevations of the mega-sub structure model

構件截面尺寸/(mm×mm)構件截面尺寸/(mm×mm×mm)巨型框架柱L140×10子結構框架柱□60×60×2.5巨型框架主梁12.6#槽鋼子結構框架梁□40×40×1.5巨型框架次梁8#槽鋼

1.2 試驗方案

巨型框架結構的周期較長，基于子結構組合隔震的巨型框架結構的動力特性也會不一樣，為了研究近斷層、遠場以及不同場地類型地震動對巨型結構體系動力響應及減震效果的影響，選用Chi-Chi地震不同測站點的兩個場地類型的3條不同特性地震記錄作為本次試驗時的輸入，地震記錄的參數(shù)見表4.振動臺試驗時，地震動的輸入方向為X向，輸入幅值為310 gal，對應7度(0.15 g)罕遇，按照表4中的編號順序逐一輸入進行試驗.先進行組合隔震結構(基于子結構組合隔震的巨-子結構，指的是斷開子結構與主結構的剛性連接，而采用隔震支座或滑移隔震支座連接的巨型框架-子結構體系)的試驗，后進行抗震結構(巨-子抗震結構，指的是子結構與主結構剛性連接的巨型框架-子結構體系)的試驗.

表3 隔震支座參數(shù)

注：括號內的數(shù)值代表第3子結構的隔震支座參數(shù)；其余參數(shù)為第2和第3子結構的隔震支座的共用參數(shù).

表4 試驗用地震動

注：記錄名稱后綴2和3分別代表Ⅱ和Ⅲ類場地；N和F分別代表近斷層和遠場.

結構測量系統(tǒng)采用了3種傳感器：加速度傳感器、位移傳感器和力傳感器.如圖2所示，在振動臺臺面上沿X向布置1個加速度傳感器，以測量結構的實際輸入.在主結構的每層樓板及兩個子結構的每層沿X向均布置1個加速度傳感器，以測量主結構和子結構的加速度響應.在主結構每層主梁的中部及振動臺臺面沿X向各布置一個位移傳感器，在第2和第3子結構的頂層沿X向各布置一個位移傳感器，以測量模型結構中主結構各層、子結構頂層位移響應.對于組合隔震結構，在第2和第3子結構底部沿X向各布置一個位移計用以測量組合隔震層的變形.在4個巨型柱子底部各布置一個三向力傳感器，以測量主結構柱的剪力和軸力.

對白噪聲掃頻工況采集到的數(shù)據(jù)進行分析，得到抗震結構和組合隔震結構的基本周期分別為0.462 s和0.501 s，且試驗前后的周期數(shù)值基本不變，說明在子結構底部設置組合隔震層的形式以及減震機理不同于基礎隔震，設置組合隔震層未顯著延長結構的基本周期，也說明了試驗并未對結構造成損傷或者破壞.

圖2 傳感器布置圖Fig.2 Layout of the sensors

2 主結構地震響應

2.1 主結構位移響應

主結構作為主要的抗側力體系，其地震響應大小關系結構整體安全性.7度(0.15 g)罕遇地震作用下，抗震結構和組合隔震結構的主結構各層位移響應峰值及調諧減震效果如表5所示.限于篇幅，僅給出抗震結構和組合隔震結構的頂層主結構梁位移響應時程曲線，如圖3所示.

下文中的減震效果或隔震效果定義為：

減(隔)震效果=[(抗震結構地震響應-組合隔震結構地震響應)/抗震結構地震響應]×100%.

由表5和圖3可見，在3條不同特性地震動作用下，組合隔震子結構對主結構梁位移響應都具有明顯的調諧減震作用，減震效果不低于30.30%，最大值達到39.14%.Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N作

表5 主結構梁位移響應及減震效果

(a) Chi-Chi2N

(b) Chi-Chi2F

(c) Chi-Chi3N圖3 主結構頂層位移響應時程曲線Fig.3 Displacement time histories of top of the main-structure

用下，主結構的位移響應及調諧減震效果都明顯比Ⅱ類遠場地震動Chi-Chi2F大；抗震結構的響應增大較明顯，約20%，組合隔震結構增大約10%；說明近斷層地震動的脈沖效應增大了主結構的位移響應.Ⅲ類近斷層地震動Chi-Chi3N作用下的主結構位移響應明顯比Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N大，抗震結構最多增大24.4%，組合隔震結構最多增大26.9%；由于Ⅲ類近斷層地震動Chi-Chi3N的長周期成分與結構基本周期更接近，使得主結構的位移響應顯著增加，但是減震效果并沒有受到明顯影響；三層主結構梁中，一般中間層主結構梁位移響應的控制效果更好一些.抗震結構和組合隔震結構的各層主結構位移響應從下往上漸增，主結構頂層的位移最大.

2.2 主結構加速度響應

罕遇地震作用下抗震結構和組合隔震結構的主結構各層加速度響應峰值及減震效果如表6所示.圖4給出了抗震結構和組合隔震結構的主結構頂層加速度響應時程曲線.

由表6和圖4可見，在3條不同特性地震動作用下，組合隔震子結構對主結構的加速度響應都具有明顯的調諧減震作用，減震效果不低于35.23%，最大值達到40.61%.由于近斷層地震動的脈沖效應，在Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N作用下，主結構的加速度響應比Ⅱ類遠場地震動Chi-Chi2F大10%左右.由于Ⅲ類近斷層地震動Chi-Chi3N的長周期成分與結構基本周期更接近，使得Ⅲ類近斷層地震動Chi-Chi3N作用下的主結構加速度響應明顯比Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N大，一般要大20%以上，但是減震效果沒有受到影響.3個主結構層中，主結構頂層的加速度響應較大且控制效果要好一些，也比頂層位移的減震效果好；中間層的加速度響應較小.

表6 主結構加速度響應及減震效果

(a) Chi-Chi2N

(b) Chi-Chi2F

(c) Chi-Chi3N圖4 主結構頂層加速度響應時程曲線Fig.4 Acceleration time histories of top of the main-structure

2.3 基底剪力響應

在3條不同特性地震動作用下，抗震結構和組合隔震結構巨型柱的底部剪力時程曲線如圖5所示，其幅值分別為18.02，15.14，20.26 kN和10.08，9.42，11.95 kN，減震控制效果分別達到44.06%，37.78%和41.02%.與主結構的位移和加速度響應規(guī)律一樣，近斷層地震動作用下的基底剪力響應要比遠場地震動大，且Ⅲ類場地地震動作用下的響應比Ⅱ類場地地震動大，減震效果較明顯且相差不大.

(a) Chi-Chi2N

(b) Chi-Chi2F

(c) Chi-Chi3N圖5 主結構基底剪力反應時程曲線Fig.5 Base shear time histories of the main-structure

3 子結構地震響應

3.1 子結構頂層位移響應

子結構作為巨-子結構的主要組成部分，是生活和工作的場所，其安全性和舒適度是結構振動控制的首要目標.地震動加速度從振動臺臺面向上傳遞，經過主結構放大后，再傳遞給子結構，傳遞給子結構時，由于組合隔震層的隔震作用，子結構最終的地震響應下降.對于子結構自身而言，從形式上它相當于一個基底隔震結構.

抗震結構和組合隔震結構在地震作用下的各子結構頂層位移響應峰值及隔震效果列于表7.圖6為抗震結構和組合隔震結構第2子結構的頂層位移響應時程曲線.

由表7和圖6可知，在3條不同特性地震動作用下，組合隔震層對兩個子結構的位移響應都有顯著的隔震作用，隔震效果不低于60.27%，最大值達到66.24%.前述在不同特性地震動作用下主結構的地震響應規(guī)律對于子結構的位移響應仍適用：Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N作用下，子結構的位移響應比Ⅱ類遠場地震動Chi-Chi2F作用下大；Ⅲ類近斷層地震動Chi-Chi3N作用下的子結構位移響應明顯比Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N大，但是隔震效果沒有受到影響.由于兩個組合隔震層設計合理，兩個組合隔震子結構的位移響應和隔震效果沒有明顯差異，但第2子結構的位移響應(尤其是抗震結構)一般要略大于第3子結構.

表7子結構頂層位移響應及隔震效果

Tab.7 Displacement responses and controlledeffects of top of sub-structures mm

(a) Chi-Chi2N

(b) Chi-Chi2F

(c) Chi-Chi3N圖6 第2子結構頂層位移響應時程曲線Fig.6 Displacement time histories of top of the 2ndsub-structure

3.2 子結構加速度響應

罕遇地震作用下抗震結構和組合隔震結構各子結構每層的加速度響應及隔震效果見表8.限于篇幅，僅給出抗震結構和組合隔震結構第2子結構的頂層加速度響應時程曲線，如圖7所示.

由表8和圖7可知，不管是遠場地震動還是近斷層地震動作用下，組合隔震層對兩個子結構的各層加速度響應都有明顯的隔震作用，隔震效果不低于41.11%，最大值達到59.24%.與前述子結構的位移響應規(guī)律相似：Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N作用下，兩種結構的子結構各層加速度響應都比Ⅱ類遠場地震動Chi-Chi2F作用下大，但隔震效果接近.Ⅲ類近斷層地震動Chi-Chi3N作用下的兩種結構的子結構各層加速度響應明顯比Ⅱ類近斷層地震動Chi-Chi2N大，尤其是抗震結構的第3子結構增大更明顯；隔震效果略有增大，特別是第3子結構的1和2層.兩個子結構的隔震效果較接近，但第2子結構的各層加速度響應都大于第3子結構.

表8 子結構加速度響應及隔震效果

(a)Chi-Chi2N(b)Chi-Chi2F(c)Chi-Chi3N圖7 第2子結構頂層加速度響應時程曲線Fig.7 Accelerationtimehistoriesoftopofthe2ndsub-structure

3.3 隔震層位移響應

罕遇地震作用下的隔震層位移響應是一項關系到結構整體安全性的重要指標，隔震層的位移響應要小于隔震縫的寬度.罕遇地震作用下兩個子結構組合隔震層的位移響應列于表9.從表9可看出，近斷層地震動Chi-Chi2N作用下的隔震層位移響應比遠場地震動Chi-Chi2F大20%以上，且Ⅲ類近斷層地震動作用下的隔震層位移響應大于Ⅱ類近斷層地震動下的位移響應.組合隔震層的位移響應最大值為8.65 mm，未超過預留的隔震縫寬15 mm；試驗中也未觀察到子結構與外部主結構有發(fā)生碰撞，結構整體安全.

表9 子結構隔震層位移響應

4 結 論

在巨-子結構的子結構底部設置組合隔震層，對巨-子結構縮尺模型進行了振動臺試驗，得到如下結論：

1)試驗表明，在巨-子結構的子結構底部設置組合隔震層后，結構的基本周期未顯著延長.

2)組合隔震子結構對外部主結構的地震響應具有明顯的調諧減震效果，可確保主體結構的安全.

3)組合隔震層對子結構的地震響應具有顯著的隔震效果，第2子結構的地震響應大于第3子結構；罕遇地震作用下，隔震層的位移響應小于預設的主結構和子結構間的隔震縫寬，試驗中未觀察到子結構與主結構發(fā)生碰撞.

4)本文試驗結果表明，由于近斷層地震動的脈沖效應及長周期成分，近斷層地震動作用下主結構和子結構的地震響應都要大于相同場地的遠場地震動，且Ⅲ類近斷層地震動作用下的響應大于Ⅱ類近斷層地震動.鑒于試驗的局限性，后續(xù)將進行大量數(shù)值分析，進一步研究其近場反應特性.

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Experimental Study on Mega-sub Structures with CombinedIsolation under Near-fault Ground Motion

YAN Xueyuan1?，MAO Huimin2，WU Yingxiong1，QI Ai1，XU Xiaoyong1

(1.College of Civil Engineering,Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China;2.College of Ecological Environment and Urban Construction，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China)

To solve the problem of seldom use of isolation technology in super high-rise buildings as well as the restriction on the tensile capacity of isolation bearing and structural height-width ratio limitation，in this paper，the combined isolation layers consisting of lead rubber bearings and elastic sliding bearings were set at the bottom of the sub-structures in the new mega-sub structure system. An experimental model of mega-sub structure was designed and manufactured，which included three mega floors. Shaking table tests of the uncontrolled and controlled mega-sub structure under near-fault and far-fault ground motions were carried out. Vibration control effects of combined isolation layers on the seismic vibrations of main-structure and sub-structures and the influences of near-fault ground motions were studied. The results show that the combined isolation layer at the bottom of sub-structure is equivalent to a tuned mass damper for the main-structure，and it has obvious damping effect of TMD on the seismic reactions of main structure，while it is equal to a base isolation structure for the sub-structure itself，and it has significant isolation effect on the seismic responses of sub-structure. Seismic reactions of the main-structure and the sub-structures under near-fault ground motions are larger than that under far-fault ground motions due to the pulse effect.

mega-sub structure; combined isolation; near-fault ground motion; shaking table test; vibration control

TU352.1

A

1674-2974(2017)11-0023-08

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.003

2016-11-17

國家自然科學基金資助項目(51578160),National Natural Science Foundation of China(51578160)；福建省教育廳科技項目(JA15050)，Science and Technology Project of the Education Department of Fujian Province(JA15050)；福建省高校杰出青年科研人才計劃項目(810104),The Outstanding Young Scientific Research Plan of Colleges and Universities in Fujian Province(810104)

顏學淵(1982-)，男，福建永春人，福州大學副教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail: yxy820910@sina.com