Ⅳ類場地土與結構相互作用的隔震分析

張富有，賀夢瑤，王舒珊，朱俊高

Ⅳ類場地土與結構相互作用的隔震分析

張富有，賀夢瑤，王舒珊，朱俊高

（河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

以某8層框架結構為例，使用ETABS軟件進行時程反應分析，可以得到考慮土與結構相互作用時橡膠隔震體系、滑移隔震體系等不同模型在第Ⅳ類場地的自振周期、層間剪力、最大位移等情況，得出不同結構的自振周期都有延長，各層位移增大，滑移隔震體系相對于普通結構和橡膠隔震體系而言，剪力和層間位移都大幅度降低，因此在第Ⅳ類場地使用滑移隔震體系效果更好。

土與結構；相互作用；時程反應分析；橡膠隔震體系；滑移隔震體系

土與結構相互作用[1-2]（soil structure interaction ，簡稱SSI）主要是因為地基土與結構基礎材料的彈性模量等材料特性的不同使得其變形能力有所不同，進而在場地土和基礎的接觸面上產生了相互作用，再擴展成場地土和結構建筑物的相互作用。目前，很多研究和試驗結果都說明在考慮SSI時結構的動力響應與剛性地基假設下的結果有較為顯著的差別，地基為剛性的假設在某些情況下是偏于保守的，土與結構的相互作用也不能被忽略，當其轉為不利條件時，其模擬結果將與實際動力響應有較大偏差，因此研究結構動力響應時考慮SSI的影響是極其重要的。研究表明，當考慮土與結構的相互作用時，橡膠隔震技術的隔震效果會受很大的影響[3-8]。本文利用ETABS軟件進行時程分析，可以得到普通結構（CS模型）、橡膠隔震體系（LRB模型）、滑移隔震體系（FSI模型）、考慮SSI效應的普通結構（SSI-CS模型）和考慮SSI效應的摩擦滑移隔震體系（SSI-FSI模型）的自振周期、層間剪力、最大位移等變化情況。

1 建立CS模型、LRB模型和FSI模型

1.1 工程概況

基本建筑為8層框架結構，建筑平面為矩形，標準層層高3.6 m，底層層高4 m，橫向5跨，跨度為6 m，縱向為3跨，跨度為6 m，框架梁的截面為500 mm×250 mm，柱截面400 mm×400 mm，填充墻厚度為200 mm，采用C30的混凝土，現澆板厚度為160 mm。

1.2 用ETABS建模

假定每層樓板為剛性，各樓層的位移、速度、加速度都可以由該層任意一點的位移、速度、加速度來表示。所建立的普通結構（CS模型）、橡膠隔震體系（LRB模型，D=400 m的鉛芯橡膠支座）、滑移隔震體系（FSI模型）的三維模型，如圖1所示。

圖1 動力分析模型Fig.1 Dynamic model

表1 地震波的選取和調整Tab.1 The selection and adjustment of seismic wave

1.3 地震波的選取

合理地選取地震的時程曲線是非常重要的，它需要滿足地震動的三要素要求，即頻譜特性、有效峰值和持續時間。選取的地震波所適用的設計分組以及場地類別要符合所要研究的隔震體系的場地條件。所以為了能更好體現研究效果，在上述3種模型的基礎上，再加上考慮土與結構相互作用后的SSI-CS模型和SSI-FSI模型，對這5類模型選取ETABS軟件自帶的適于Ⅳ類場地分析的三條地震波：天津波（南北方向）、上海波和TRI00波，地震波的選取如表1所示。

2 隔震分析

2.1 自振周期對比分析

5種模型的前6階自振周期如圖2所示。可以看出，無論是否考慮SSI效應，增加橡膠支座隔震或者滑移隔震體系的結構比普通結構的自振周期有所延長。其中，滑移隔震體系的自振周期與橡膠隔震體系的自振周期非常接近，且對前幾階振型的影響較大。由此可知，兩者在不考慮SSI效應的時候對結構的自振周期的影響相似。若考慮SSI效應的話，普通結構的自振周期比之前的自振周期有所延長，增加的最大百分比為19.1%，此外，滑移隔震的自振周期比之前也有所延長，增加的最大百分比為19.6%。由此可以得出結論，考慮SSI效應后，對結構的自振周期是有影響，即自振周期延長，且對前幾階振型影響較大。

2.2 層間剪力的分析比較

圖2 五種模型的前6階自振周期Fig.2 The first 6 natural vibration cycles of five models

當考慮SSI效應時，結構的自振周期發生了改變，從而使結構的動力特性也發生了改變，若采用基礎隔震技術之后，隔震體系的周期將與原結構不同[9]，可以削弱土與結構相互作用這一影響，或者可以認為采用隔震這一措施后，SSI效應對結構的影響會小一點[10]。將普通結構模型、滑移隔震模型、橡膠隔震模型以及考慮SSI效應后的普通結構和滑移隔震模型所受到天津波、上海人工波、TRI00波的層間剪力繪制成折線圖如圖3所示。可以看出無論是否考慮SSI效應，采用隔震措施后，隔層的剪力值都大幅度降低。具體而言，當忽略SSI效應時，采用隔震的結構比普通結構的層間剪力最多減少22%，當考慮SSI效應后，采用隔震的結構比普通結構的層間剪力最多減少24%。此外，SSI效應對普通結構的層間剪力影響幅度較為明顯，這也證明了SSI效應的不可忽略性。當建筑采用滑移隔震體系時，在上海人工波作用下的隔震效果比天津波和TRI00波顯著。而對于橡膠隔震體系而言，其層間剪力很大，且對于普通結構沒有很大的變化，所以橡膠隔震技術在第Ⅳ類場地并沒有起到很好的隔震效果。

2.3 最大位移的分析比較

上述五種模型在天津波、上海人工波和TRI00波作用下的最大位移折線圖如圖4所示。

由圖4可以看出，無論是否考慮土與結構的相互作用，結構采用隔震措施后，上部結構的位移都比普通結構大得多。此外，滑移隔震體系的位移曲線的斜率比普通結構的曲線斜率大，由此可知，滑移隔震體系的隔層間位移值減小，滑移量主要集中在滑移支座部分，而上部結構的位移幾乎呈平動變化，這也正好可以說明滑移隔震體系具有良好的隔震效果。但是對于橡膠隔震而言，雖然相對于滑移隔震來說，其位移較小，但層間位移的變化很大，所以橡膠隔震并沒有發揮很好的隔震效果。當考慮土與結構相互作用時，各個結構的位移都明顯增大，尤其對于普通結構來說更為顯著。而滑移隔震的位移雖然有所增加，但變化并不是非常明顯，再一次說明了在第Ⅳ類場地上使用滑移隔震體系是可行的。

3 結論

1）考慮SSI效應后，無論是否采用隔震技術，結構的自振周期都有所延長，各層位移都有所增大。

圖3 五種模型的層間剪力Fig.3 Interlayer shear of the five models

2）對于橡膠隔震來說，當考慮SSI效應后，其動力反應異常劇烈，層間位移變化較大，可知，在第Ⅳ類場地上使用橡膠隔震技術并不能發揮很好的隔震效果。

圖4 五種模型的最大位移對比圖Fig.4 Comparison of maximum displacement of five models

3）無論是否考慮SSI效應，滑移隔震體系都相對于普通結構而言，其層間剪力和層間位移都大幅度降低，在第Ⅳ類場地上使用滑移隔震體系能夠發揮很好的隔震效果。

4）當考慮SSI效應后，結構體系變得更柔，動力特性也將隨之變化，但對于普通結構來說，這種影響最為顯著。

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Analysis of isolated structure on the fourth site with considering soil- structure interaction

ZHANG Fuyou，HE Mengyao，WANG Shushan，ZHU Jungao
(1.College of Civil Engineering and Transportation, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China)

Taking an 8 - story frame structure as an example, using etabs software, the vibration period,interlaminar shear and maximum displacement of different models such as rubber isolation system and sliding isolation system under the interaction between soil and structure can be obtained. the results show that the vibration period of different structures is prolonged, each layer displacement increases, and the sliding isolation system is significantly reduced compared with common structure and rubber isolation system, and the effect of sliding isolation system is better at the class iv site.

soil structure interaction; seismic response analysis; rubber isolation system; sliding isolation system

TU352.1

A

1673-9469（2017）03-0006-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.002

2017-07-06

國家自然科學基金資助項目（51479052）

張富有（1972- ），男，河南駐馬店人，博士，副教授，從事工程抗震與隔震減震方面的研究。