近斷層地震動下基礎隔震彈簧限位對結構響應影響試驗研究

韓 淼，崔明珠，杜紅凱,2

(1.北京建筑大學 北京節能減排關鍵技術協同創新中心，北京 100044；2.北京工業大學 工程抗震與結構診治北京市重點實驗室，北京 100022)

近斷層地震動下基礎隔震彈簧限位對結構響應影響試驗研究

韓 淼1，崔明珠1，杜紅凱1,2

(1.北京建筑大學 北京節能減排關鍵技術協同創新中心，北京 100044；2.北京工業大學 工程抗震與結構診治北京市重點實驗室，北京 100022)

近斷層地震動作用下，基礎隔震結構隔震層可能會產生大位移，限位裝置能起到限制隔震層位移的作用，但與隔震層上部結構發生軟碰撞,會對上部結構響應造成影響。對9種彈簧限位基礎隔震振動臺模型試驗數據進行分析，結果表明：9種工況均取得良好限位效果；但碰撞會激發結構的高階振型，在碰撞時刻隔震層會產生速度的突然增大；限位碰撞可導致上部結構的層間位移和加速度響應增大，但合理設計限位器的剛度和預留距離可減小上部結構響應。

近斷層地震動；限位；碰撞；基礎隔震；振動臺試驗

隔震技術目前已得到廣泛的應用，其減震效果也經受了大量地震的考驗。但隔震結構在近斷層地震動作用下的響應可能會被放大[1]，導致隔震支座位移超過其變形極限，從而使隔震層發生損壞或使上部結構與相鄰結構發生碰撞。Matsagar等[2-3]對相鄰隔震結構碰撞的地震響應進行了研究，研究表明碰撞對隔震結構的加速度響應有明顯的放大。符蓉等[4]對隔震結構與周圍擋墻或基坑發生的碰撞響應進行了研究，研究發現碰撞時刻上部結構的加速度響應和結構底部層間位移明顯增大。Pant等[5]研究了一個4層基礎隔震混凝土結構與圍護墻碰撞的問題，發現不但底層結構容易受到損傷，上部結構更容易受損。Masroor等[6]設計了內部填土的混凝土擋墻和鋼結構擋墻，并進行了振動臺試驗和數值模擬，證明隔震結構碰撞會對上部結構帶來較大的沖擊。韓淼等[7]提出了在隔震層增設軟碰撞限位保護裝置來限制隔震層變形的方法，并進行了相關試驗[8]，驗證了軟碰撞限位裝置的有效性。樊劍等[9]對近斷層地震動作用下摩擦型隔震結構與限位裝置的碰撞響應進行了研究，結果表明限位裝置在達到限位效果的同時，也增加了上部結構的層間剪力和加速度。Dicleli[10]設計了由中心插鋼棒的圓環形橡膠和鋼板制作而成間隙彈性限位裝置，研究發現該裝置能有效地減小隔震層的位移。

以上研究主要針對遠震和硬碰撞，對于近斷層地震動下對隔震層進行軟碰撞限位的研究還比較少。本文對近斷層地震動作用下振動臺基礎隔震彈簧限位試驗進行分析，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生碰撞對結構響應的影響。

1 試驗概述

按1∶7相似比設計三層單跨鋼框架試驗模型，如圖1(a)所示，模型參數見表1，模型設計詳見文獻[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)對試驗模型進行掃描，得模型結構第一自振周期為0.437 s。

表1 試驗模型設計參數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行隔震非限位試驗，從中選取位移響應最大的1120波作為振動臺限位試驗的輸入地震波，地震波參數見表2，加速度、速度和位移時程見圖2，從圖2可看出1120波具有明顯的速度和位移脈沖。試驗中將地震波的時間根據相似比進行壓縮，將地震波加速度峰值調幅至0.2g時，隔震層最大位移達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幅至0.3g。試驗設計三種不同剛度的彈簧限位器，每種限位器由四個彈簧并聯組成，如圖1(b)所示。試驗時每側放置兩個限位器，限位器預留距離為10 mm、20 mm、30 mm，試驗工況見表3。

(a) 試驗模型

(b) 限位器圖1 試驗模型及限位器圖Fig.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進行對比，對位移、加速度響應進行標準化(即將限位與非限位情況下結構的位移、加速度響應分別除以輸入地震波的位移、加速度峰值)，下文第3節所用試驗數據同為標準化后試驗數據。圖3為工況31與工況10隔震層位移時程曲線，可看出限位情況下隔震層位移峰值遠小于非限位情況下對應時刻的位移峰值，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如表4所示。

(a) 加速度時程

(b) 速度時程

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

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

表3 限位試驗工況Tab.3 Cases of displacement-constraint test

圖3 工況31與工況10隔震層位移時程曲線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均遠小于1，說明彈簧限位器在9種工況下均有很好的限位效果。預留距離為30 mm、20 mm、10 mm工況的平均位移比例系數為0.64、0.51、0.29，說明隨著預留距離減小，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 限位對結構響應分析

3.1限位對隔震層速度的影響

由隔震層的位移時程曲線獲得隔震層的速度時程曲線，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，預留距離為10 mm時，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，隔震層速度會突然增大。

3.2限位對上部結構層間位移的影響

為研究限位碰撞對上部結構層間位移的影響規律，以工況31與工況10為例，繪制層間位移時程曲線，如圖5所示。

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

(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Tab.5 The scale factor of story drift

表5給出了各工況的位移比例系數，工況11、21、31的一、二層層間位移比例系數小于1，工況12、13、23、33的位移比例系數均大于1，其他工況反應不一致；對各層位移比例系數取平均，得一、二、三層的平均位移比例系數為1.04、1.27、2.51。說明隨著樓層位置升高碰撞對層間位移的影響增大；但合理設計限位器剛度和預留距離，也可減小上部結構的位移響應。

3.3限位對上部結構加速度的影響

碰撞誘發的脈沖對上部結構的加速度響應會有影響，圖6給出了工況31與工況10的上部結構加速度響應對比圖。

(a) 三層

(b) 二層

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

表6 上部結構加速度比例系數Tab.6 The scale factor of superstructure acceleration

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

表6給出了各工況加速度比例系數，可以看出工況13、23、33各層的比例系數均大于1，工況11各層的比例系數均小于1，其他五種工況不同樓層反應不一致；對各樓層的加速度比例系數取均值，可看出各層比例系數均大于1。說明限位碰撞可能導致上部結構加速度響應增大，但如果合理設計限位器剛度和預留距離，也可降低上部結構的加速度響應。

對上部結構的加速度響應做傅里葉變換，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左右有一個很大的峰值，說明結構響應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，說明碰撞激發了結構的高階振型。

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 論

對彈簧限位和非限位基礎隔震振動臺模型試驗進行分析，得到以下結論：

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

(2) 限位碰撞時刻，隔震層速度會突然增大。

(3) 限位碰撞會改變上部結構的位移響應，對于較低樓層主要表現為相位的提前和滯后，對于較高樓層主要表現為增加了位移響應的頻率和幅值。隨著樓層位置升高層間位移增大，但合理設計限位器剛度和預留距離，可減小上部結構的位移響應。

(4) 限位碰撞可能導致上部結構加速度響應增大，但合理設計限位器剛度和預留距離，可減小上部結構加速度響應。

(5) 碰撞會激發結構的高階振型。

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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

國家自然科學基金資助項目(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,高級實驗師,1981年生