下部減震層間隔震結構振動臺試驗研究

金建敏，譚 平，周福霖，張 穎，陳建秋，馬玉宏

(廣州大學 工程抗震研究中心，廣州 510405)

地震是由于板塊構造運動引起的，它是地殼巖石中長期積累的變形在瞬間轉化為動能的結果。地震的破壞力極強，人類有史以來就不斷遭受地震災害的侵襲，強烈地震不僅造成建筑物的大量破壞，而且還造成人員的重大傷亡。隔震建筑在地震中明顯的隔震減震效果令人驚嘆，使隔震結構在各國得到廣泛應用［1］。目前，隔震技術的主要應用為基礎隔震，即隔震層設在基礎頂面或地下室底部。層間隔震體系是在基礎隔震體系的基礎上發展而來的復雜結構體系，隔震層設在地下室頂部或地面以上的樓層，其振動特性同時受到隔震層以上的上部結構及下部結構的影響。層間隔震結構的研究主要在日本與我國，既往研究多限于隔震層參數對地震響應及減震效果的影響，而下部減震層間隔震結構的相關研究未見進行［2-6］。

本文為研究層間隔震結構的下部結構附加減震裝置后，對層間隔震體系地震響應及減震效果的影響，進行了基礎固接、1層頂層間隔震及下部減震層間隔震模型的振動臺試驗研究，并建立了層間隔震結構的有限元模型，將有限元分析結果與試驗結果進行了對比。

1 模型設計與隔震減震裝置參數

設計一個4層的鋼框架模型，該鋼框架由1個1層模型(有柱腳拉梁)、1個1層模型(無柱腳拉梁)、1個2層模型(無柱腳拉梁)構成。組裝后的鋼框架為四層模型，平面尺寸為 1.0 m ×1.6 m，層高為 1.0 m，梁、柱截面尺寸HW100 mm×100 mm×6 mm×8 mm，樓板采用12 mm厚的鋼樓板，該模型X向(短邊方向)高寬比為4。通過這三個模型的組裝進行基礎固接、1層頂隔震以及下部減震層間隔震(1層頂隔震后，在1層用人字撐水平向附加黏滯阻尼器)的振動臺試驗研究。采用4個直徑為90 mm的鉛芯橡膠支座(LRB90)構成隔震層，鉛芯直徑為15 mm;橡膠的剪切彈性模量為0.392 MPa，內部橡膠層厚度為 1.2 mm，15 層;實測的豎向剛度Kv，屈服后剛度Kd，屈服力Qd的平均值分別為192.7 kN/mm，0.153 kN/mm，1.196 kN(4 個 LRB90平均)。下部減震采用2個黏滯阻尼器，黏滯阻尼系數C=5900(N/(m·s-1)α)，指數 α 為 0.3，實測的阻尼力與設計阻尼平均絕對誤差為6.2%(測試速度17～75 mm/s)。表1為模型與原型的相似關系，圖1至圖3為振動臺試驗時的模型。模型結構自重為2 465 kg，根據振動臺的承載能力，取模型各層配重為2 420 kg，模型配重共5層，其中4層采用混凝土塊，1層為隔震層配重，由于隔震層高度限制，隔震層配重采用鉛塊，下部減震模型所用支撐為人字撐，截面尺寸為HW125 mm ×125 mm ×6.5 mm ×9 mm，高度為 790 mm，沿模型短邊方向布置。

表1 相似關系Tab.1 Similarity relation

圖1 基礎固接Fig.1 Fixed-base

圖2 1層頂隔震Fig.2 Isolated on the top of the first story

圖3 下部減震Fig.3 Shock absorption of substructure

2 振動臺試驗

2.1 試驗工況及量測系統布置

輸入地震波為El Centro NS波、Taft EW波及兩條與抗震規范加速度反應譜相吻合的人工波(場地特征周期為0.4 s)，輸入加速度峰值為0.2 g(8度設防烈度地震)及0.408 g(8度罕遇烈度地震)，輸入方向為X向。共使用12個丹麥產傳感器測定加速度和位移，加速度和位移各為6個，布置在各層的中心點。在隔震模型試驗時，在隔震層布置了2個激光傳感器(分別沿X向布置在模型的對角點)，用于測定X向隔震層層間位移，采用4個日本產三維力傳感器，測定隔震支座在地震作用下的三向力變化情況。

2.2 動力特性

表2 為白噪聲輸入時(0.05 g，0.1 ～40 Hz)，基礎固接、1層頂層間隔震及下部減震層間隔震模型的前三階周期，隔震前原型結構的周期為1.143 s，實測基礎固接模型阻尼比為1.96%。1層頂隔震模型及下部減震的前三階振動主要為上部結構平動(此處所指上部結構不包含隔震層)、上部結構1階振動、下部結構1階振動;下部減震實測的周期比1層頂層間隔震模型周期偏短，但變化不大，表明所采用的人字撐及黏滯阻尼串聯后形成的附加體系，對下部結構剛度貢獻不大，阻尼器連接件之間的間隙是影響因素之一。

表2 模型周期Tab.2 Model period

2.3 加速度反應

8度中、大震輸入時，基礎固接模型、1層頂隔震模型及下部減震層間隔震模型加速度反應的最大值見圖4(為方便對比，隔震模型未標注隔震層加速度)。El Centro波中、大震時，與1層頂層間隔震模型相比，下部減震層間隔震模型的加速度出現一定程度的放大，圖5為1層頂層間隔震模型與下部減震層間模型在El Centro波中、大震輸入時臺面波的自功率譜比較，從圖5可以看出，振動臺輸入的El Centro波在11.625 Hz處，有一主頻，這與白噪聲掃頻得到的下部結構振動頻率幾乎一致，而下部減震層間隔震模型在El Centro波輸入時，輸入失真，造成結構響應放大，與1層頂層間隔震模型數據不具可比性。為進一步說明此問題，分別用El Centro天然波、1層頂層間隔震模型及下部減震層間隔震模型的El Centro波輸入時的臺面波，對這兩個模型進行了加速度反應的有限元對比計算，最大加速度反應見表3。由表3可見，1層頂層間隔震模型的臺面波與El Centro天然波的計算結果上、下部結構響應整體一致性接近，誤差較小;臺面波及El Centro天然波輸入，下部減震模型的加速度響應均小于1層頂層間隔震模型;下部減震模型的臺面波與其它兩條波的加速度反應相比，均出現放大現象。表4為隔震結構上部結構頂層、下部結構頂層的加速度減震效果，表中括號內為不包括El Centro波的其余3條波平均結果。可見，1層頂層間隔震后，上、下部結構頂層的加速度分別降為基礎固接的40%、90%左右，下部減震后上、下部結構頂層的加速度均進一步降低。

圖4 加速度反應最大值Fig.4 Maximum acceleration response

圖5 自功率譜比較Fig.5 Comparison of PSV

表3 最大加速度反應(g)Tab.3 Maximum acceleration response(g)

表4 加速度減震效果(%)Tab.4 Seismic reduction effect(%)

2.4 層間位移反應

8度中震輸入時，基礎固接模型最大層間位移角為1/168，1層頂隔震模型最大層間位移角為1/406，下部減震后最大層間位移角為1/466。8度大震輸入時，基礎固接模型最大層間位移角為1/97，1層頂隔震模型最大層間位移角為1/190，下部減震后最大層間位移角為1/237。表5為平均后1層頂層間隔震及下部減震的最大層間位移角(不包括隔震層)，表6為隔震層最大層間位移，表中括號內為不包括El Centro波的三條波平均。可見，下部減震后在1層頂隔震的基礎上進一步降低了層間位移反應。

表5 最大層間位移角(rad)Tab.5 Maximum inter-story displacement angle(rad)

表6 隔震層最大層間位移(mm)Tab.6 Maximum story displacement of isolation layer(mm)

表7 層剪力系數的比值Tab.7 Story shear force coefficient

表8 隔震層剪力系數Tab.8 Shear force coefficient of isolation layer

2.5 層剪力系數

8度中、大震輸入時，隔震模型與基礎固接模型的層剪力系數的比值見表7，1層頂隔震及下部減震層間隔震模型的隔震層剪力系數見表8，基底剪力系數見表9。可見，下部減震后進一步降低了層剪力系數。

3 有限元分析與試驗結果對比

采用SAP2000對1層頂隔震及下部減震層間隔震模型進行有限元分析，采用8度大震Taft波和人工波1輸入時臺面響應的值作為輸入波，表10為有限元分析和試驗的樓層最大加速度反應對比，表11為有限元分析和試驗的隔震層最大層間位移對比。由表10可見加速度峰值有較好的近似，實測加速度偏大，誤差基本在25%以內。由表11可見隔震層最大層間位移誤差較小。圖6為8度大震人工波1輸入時，有限元分析及試驗實測的上、下部結構的頂層加速度時程及隔震層層間位移時程對比。

表9 基底剪力系數Tab.9 Base shear force coefficient

圖6 時程對比Fig.6 Comparison of time-history

表10 最大加速度反應對比(g)Tab.10 Comparison of the acceleration response(g)

表11 隔震層最大層間位移對比(mm)Tab.11 Comparison of the maximum story displacement of isolation layer(mm)

4 結論

本文對層間隔震及下部減震層間隔震結構進行了振動臺試驗研究，進行了層間隔震模型結構的有限元分析，并與試驗結果作了對比，主要結論為:

(1)層間隔震可明顯降低隔震前周期為1 s左右結構的地震響應。

(2)下部減震可在層間隔震的基礎上進一步同時降低結構的加速度、層間位移及層剪力系數等地震響應。

(3)有限元分析與試驗實測結果對比表明，加速度峰值有較好的近似，隔震層最大層間位移誤差較小，時程曲線吻合較好。

［1］周福霖.工程結構減震控制［M］.北京:地震出版社，1997.

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