近斷層地震動(dòng)下基礎(chǔ)隔震彈簧限位對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響試驗(yàn)研究

韓 淼，崔明珠，杜紅凱,2

(1.北京建筑大學(xué) 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044；2.北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100022)

近斷層地震動(dòng)下基礎(chǔ)隔震彈簧限位對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響試驗(yàn)研究

韓 淼1，崔明珠1，杜紅凱1,2

(1.北京建筑大學(xué) 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044；2.北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100022)

近斷層地震動(dòng)作用下，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震層可能會(huì)產(chǎn)生大位移，限位裝置能起到限制隔震層位移的作用，但與隔震層上部結(jié)構(gòu)發(fā)生軟碰撞,會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)造成影響。對(duì)9種彈簧限位基礎(chǔ)隔震振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：9種工況均取得良好限位效果；但碰撞會(huì)激發(fā)結(jié)構(gòu)的高階振型，在碰撞時(shí)刻隔震層會(huì)產(chǎn)生速度的突然增大；限位碰撞可導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的層間位移和加速度響應(yīng)增大，但合理設(shè)計(jì)限位器的剛度和預(yù)留距離可減小上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

近斷層地震動(dòng)；限位；碰撞；基礎(chǔ)隔震；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

隔震技術(shù)目前已得到廣泛的應(yīng)用，其減震效果也經(jīng)受了大量地震的考驗(yàn)。但隔震結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下的響應(yīng)可能會(huì)被放大[1]，導(dǎo)致隔震支座位移超過其變形極限，從而使隔震層發(fā)生損壞或使上部結(jié)構(gòu)與相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。Matsagar等[2-3]對(duì)相鄰隔震結(jié)構(gòu)碰撞的地震響應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明碰撞對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)有明顯的放大。符蓉等[4]對(duì)隔震結(jié)構(gòu)與周圍擋墻或基坑發(fā)生的碰撞響應(yīng)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)碰撞時(shí)刻上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)和結(jié)構(gòu)底部層間位移明顯增大。Pant等[5]研究了一個(gè)4層基礎(chǔ)隔震混凝土結(jié)構(gòu)與圍護(hù)墻碰撞的問題，發(fā)現(xiàn)不但底層結(jié)構(gòu)容易受到損傷，上部結(jié)構(gòu)更容易受損。Masroor等[6]設(shè)計(jì)了內(nèi)部填土的混凝土擋墻和鋼結(jié)構(gòu)擋墻，并進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，證明隔震結(jié)構(gòu)碰撞會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)帶來較大的沖擊。韓淼等[7]提出了在隔震層增設(shè)軟碰撞限位保護(hù)裝置來限制隔震層變形的方法，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)[8]，驗(yàn)證了軟碰撞限位裝置的有效性。樊劍等[9]對(duì)近斷層地震動(dòng)作用下摩擦型隔震結(jié)構(gòu)與限位裝置的碰撞響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明限位裝置在達(dá)到限位效果的同時(shí)，也增加了上部結(jié)構(gòu)的層間剪力和加速度。Dicleli[10]設(shè)計(jì)了由中心插鋼棒的圓環(huán)形橡膠和鋼板制作而成間隙彈性限位裝置，研究發(fā)現(xiàn)該裝置能有效地減小隔震層的位移。

以上研究主要針對(duì)遠(yuǎn)震和硬碰撞，對(duì)于近斷層地震動(dòng)下對(duì)隔震層進(jìn)行軟碰撞限位的研究還比較少。本文對(duì)近斷層地震動(dòng)作用下振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)隔震彈簧限位試驗(yàn)進(jìn)行分析，研究鋼螺旋彈簧的限位效果，以及隔震層與彈簧限位裝置發(fā)生碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

1 試驗(yàn)概述

按1∶7相似比設(shè)計(jì)三層單跨鋼框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D1(a)所示，模型參數(shù)見表1，模型設(shè)計(jì)詳見文獻(xiàn)[11]，采用直徑100 mm的疊層鋼板橡膠支座，位移限值為55 mm。采用白噪聲(0.1g)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行掃描，得模型結(jié)構(gòu)第一自振周期為0.437 s。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of test model

從美國太平洋地震工程研究中心選取6條典型的近斷層地震波進(jìn)行隔震非限位試驗(yàn)，從中選取位移響應(yīng)最大的1120波作為振動(dòng)臺(tái)限位試驗(yàn)的輸入地震波，地震波參數(shù)見表2，加速度、速度和位移時(shí)程見圖2，從圖2可看出1120波具有明顯的速度和位移脈沖。試驗(yàn)中將地震波的時(shí)間根據(jù)相似比進(jìn)行壓縮，將地震波加速度峰值調(diào)幅至0.2g時(shí)，隔震層最大位移達(dá)44.9 mm，為避免隔震支座失效，未限位情況下地震波加速度峰值不再提高，但限位情況下地震波加速度調(diào)幅至0.3g。試驗(yàn)設(shè)計(jì)三種不同剛度的彈簧限位器，每種限位器由四個(gè)彈簧并聯(lián)組成，如圖1(b)所示。試驗(yàn)時(shí)每側(cè)放置兩個(gè)限位器，限位器預(yù)留距離為10 mm、20 mm、30 mm，試驗(yàn)工況見表3。

(a) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(b) 限位器圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图跋尬黄鲌DFig.1 Test model and displacement-constraint devices

2 限位效果分析

為將限位與非限位情況下各響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)位移、加速度響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(即將限位與非限位情況下結(jié)構(gòu)的位移、加速度響應(yīng)分別除以輸入地震波的位移、加速度峰值)，下文第3節(jié)所用試驗(yàn)數(shù)據(jù)同為標(biāo)準(zhǔn)化后試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3為工況31與工況10隔震層位移時(shí)程曲線，可看出限位情況下隔震層位移峰值遠(yuǎn)小于非限位情況下對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位移峰值，其余工況類似，由于篇幅所限，不再一一繪出。定義隔震層位移比例系數(shù)為隔震層位移最大值在隔震限位與非限位情況下的比值(其他比例系數(shù)的定義與此處類似，后文不再一一給出)，各工況下隔震層位移比例系數(shù)如表4所示。

(a) 加速度時(shí)程

(b) 速度時(shí)程

(c) 位移時(shí)程圖2 輸入地震波的時(shí)程曲線(時(shí)間壓縮前)Fig.2 Time-history curves of inputting ground motion

表2 地震波參數(shù)Tab.2 Parameters of strong ground motion

表3 限位試驗(yàn)工況Tab.3 Cases of displacement-constraint test

圖3 工況31與工況10隔震層位移時(shí)程曲線Fig.3 Time-history curves of the isolation layer deformation about case 31 and case 10

表4 隔震層位移比例系數(shù)Tab.4 The scale factor of isolation layer deformation

由表4可知，限位情況下隔震層位移比例系數(shù)均遠(yuǎn)小于1，說明彈簧限位器在9種工況下均有很好的限位效果。預(yù)留距離為30 mm、20 mm、10 mm工況的平均位移比例系數(shù)為0.64、0.51、0.29，說明隨著預(yù)留距離減小，限位器效果提高；第一、二、三類限位器工況平均位移比例系數(shù)為0.52、0.49、0.43，說明隨著限位器剛度增大，限位效果提高。

3 限位對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

3.1限位對(duì)隔震層速度的影響

由隔震層的位移時(shí)程曲線獲得隔震層的速度時(shí)程曲線，可繪出限位和非限位情況下，隔震層速度-位移曲線。圖4給出了工況11與工況10的隔震層速度-位移曲線，其余限位工況類似，不再一一繪出。

(a) 工況11

(b) 工況10圖4 隔震層速度-位移曲線Fig.4 The velocity-deformation curves of isolation layer

由圖4可知，在限位情況下，預(yù)留距離為10 mm時(shí)，速度-位移曲線存在較大波峰，而非限位的速度-位移曲線比較平滑，說明限位碰撞時(shí)，隔震層速度會(huì)突然增大。

3.2限位對(duì)上部結(jié)構(gòu)層間位移的影響

為研究限位碰撞對(duì)上部結(jié)構(gòu)層間位移的影響規(guī)律，以工況31與工況10為例，繪制層間位移時(shí)程曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，限位工況相對(duì)于非限位工況，一層位移響應(yīng)波形相差不大，非限位工況更加平滑；二層和三層位移響應(yīng)相差較大，且隨著樓層越高差別越大，主要表現(xiàn)為位移峰值點(diǎn)增多、位移幅值增大。說明限位碰撞會(huì)改變上部結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，對(duì)于較低樓層主要表現(xiàn)為相位的提前和滯后，對(duì)于較高樓層主要表現(xiàn)為提高了位移響應(yīng)的頻率和幅值。

(a) 三層

(b) 二層

(c) 一層圖5 工況31與工況10層間位移時(shí)程曲線Fig.5 Story drift time-history curves of case 31 and case 10

表5 層間位移比例系數(shù)Tab.5 The scale factor of story drift

表5給出了各工況的位移比例系數(shù)，工況11、21、31的一、二層層間位移比例系數(shù)小于1，工況12、13、23、33的位移比例系數(shù)均大于1，其他工況反應(yīng)不一致；對(duì)各層位移比例系數(shù)取平均，得一、二、三層的平均位移比例系數(shù)為1.04、1.27、2.51。說明隨著樓層位置升高碰撞對(duì)層間位移的影響增大；但合理設(shè)計(jì)限位器剛度和預(yù)留距離，也可減小上部結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

3.3限位對(duì)上部結(jié)構(gòu)加速度的影響

碰撞誘發(fā)的脈沖對(duì)上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)會(huì)有影響，圖6給出了工況31與工況10的上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。

(a) 三層

(b) 二層

(c) 一層圖6 工況31與工況10上部結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curves about superstructure acceleration of case 31 and case 10

表6 上部結(jié)構(gòu)加速度比例系數(shù)Tab.6 The scale factor of superstructure acceleration

從圖6可看出，限位工況相對(duì)非限位工況，一層加速度響應(yīng)的波形相差不大，僅相位出現(xiàn)提前或滯后，二層和三層的波形相差較大，波形完全不一致，說明限位碰撞會(huì)改變各樓層的加速度響應(yīng)，該改變對(duì)較高樓層愈發(fā)明顯。

表6給出了各工況加速度比例系數(shù)，可以看出工況13、23、33各層的比例系數(shù)均大于1，工況11各層的比例系數(shù)均小于1，其他五種工況不同樓層反應(yīng)不一致；對(duì)各樓層的加速度比例系數(shù)取均值，可看出各層比例系數(shù)均大于1。說明限位碰撞可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)增大，但如果合理設(shè)計(jì)限位器剛度和預(yù)留距離，也可降低上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)。

對(duì)上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)做傅里葉變換，圖7繪出了頂層加速度傅里葉幅值譜。從圖7可知，非限位隔震工況的傅里葉幅值譜在2 Hz左右有一個(gè)很大的峰值，說明結(jié)構(gòu)響應(yīng)以第一振型分量為主；而限位工況的傅里葉幅值譜在高頻部分有很多的小峰值，說明碰撞激發(fā)了結(jié)構(gòu)的高階振型。

圖7 頂層加速度傅里葉幅值譜Fig.7 Fourier amplitude spectrum of acceleration of top floor

4 結(jié) 論

對(duì)彈簧限位和非限位基礎(chǔ)隔震振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 采用彈簧對(duì)隔震層進(jìn)行限位，可以取得較好的限位效果，限位器剛度越大限位效果越好，預(yù)留距離越小限位效果越好。

(2) 限位碰撞時(shí)刻，隔震層速度會(huì)突然增大。

(3) 限位碰撞會(huì)改變上部結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，對(duì)于較低樓層主要表現(xiàn)為相位的提前和滯后，對(duì)于較高樓層主要表現(xiàn)為增加了位移響應(yīng)的頻率和幅值。隨著樓層位置升高層間位移增大，但合理設(shè)計(jì)限位器剛度和預(yù)留距離，可減小上部結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

(4) 限位碰撞可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)增大，但合理設(shè)計(jì)限位器剛度和預(yù)留距離，可減小上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)。

(5) 碰撞會(huì)激發(fā)結(jié)構(gòu)的高階振型。

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Experimentalresearchontheeffectofspringdisplacement-constraintdevicesonthestructuralresponsesofbase-isolatedstructuresundernear-faultgroundmotions

HAN Miao1, CUI Mingzhu1, DU Hongkai1,2

(1.Beijing Collaborative Innovation Center of Energy Conservation and Emission Reduction Technology,Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2.Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology，Beijing 100022，China)

The large deformation of a base isolation layer could be induced by near-fault ground motions．Although the displacement-constraint devices can constrain the large displacements of the base isolation layer, impacts between the displacement-constraint devices and the superstructures of the base isolation layer may change the dynamic responses of the superstructures. 9 sets of test data about base-isolated structures impacting on spring displacement-constraint devices were analyzed. The results indicate that the displacement-constraint devices can constrain the displacement of the base isolation layer well, but higher modes will be exicited and great velocity increments may be produced due to the impact. The story drifts and accelerations of superstructures will increase in the case of impact. The responses of superstructures may be reduced when the stiffness of the displacement-constraint devices and the gaps between the devices and structures are designed reasonably.

near-fault ground motion; displacement constraint; impact; base-isolation; shaking table test

TU352.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.027

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378047；51408027)

2016-05-25 修改稿收到日期：2016-08-03

韓淼 男,博士,教授,1969年生

杜紅凱 男,博士,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,1981年生