長周期地震動作用下高層隔震結構減震性能試驗研究

吳應雄　顏桂云　石文龍　祁皚

摘要：近、遠場長周期地震動中的長周期和近場脈沖特性的存在，可能導致長周期的高層隔震結構產生隔震層位移放大效應。通過振動臺試驗分析與驗證其對長周期的高層隔震結構減震性能帶來的不利影響，首先分析近、遠場長周期地震動的反應譜特性；接著設計制作一個具有典型工程意義的大底盤單塔樓縮尺模型，進行有限元分析與振動臺試驗，探討長周期地震動對樓層加速度、層間位移和隔震層位移等減震性能的影響；最后針對可能出現的隔震層位移超限問題，提出在隔震層增設黏滯阻尼器組成的復合減隔震體系，分析驗證其減震和限位保護效果。結果表明：遠場長周期地震動下隔震結構的響應明顯大于普通周期地震動；近場脈沖長周期地震動作用下結構減震效果較差，隔震層位移明顯大于位移容許值；復合減隔震體系有效地控制了隔震層的最大位移，降低了大底盤的加速度和層間位移響應，同時對上部塔樓也具有較好的減震效果。

關鍵詞：長周期地震動；高層隔震結構；近場脈沖型地震動；復合減隔震；振動臺試驗

引言

歷次震害研究發現，在某些地震區域雖然震級不大，但地表破裂帶卻產生超烈度強振動，附近建（構）筑物受損嚴重，尤其是高層建筑。隨著對地震動特性研究的不斷深入，發現了長周期地震動與普通周期地震動的差別，尤其是近場長周期地震動，除了地震動含有的長周期特性，還表現出明顯的長周期速度脈沖、大的速度峰值與加速度峰值的比值和較大的反應譜幅值等特點，使得自振周期較長的建筑結構在地震中的某個瞬間受沖擊產生強烈的脈沖特性地震響應，損傷嚴重。

目前，建筑結構隔震技術應用廣泛，隔震結構由于顯著延長了結構的自振周期而減少了地震響應（通常延長3倍以上），已有一些學者進行了長周期地震作用下隔震結構地震響應的研究。文獻[2，4]分析了不同場地土類型對隔震結構產生的影響進行研究。文獻[5]基于隔震結構的簡化模型，研究了不同場地類別和震源機制對近場脈沖反應譜特性的影響。文獻[6-7]研究了在長周期地震動和普通周期地震動作用下隔震結構模型的動力響應。文獻[8]研究在近場脈沖地震動作用下，層間隔震結構的隔震層位移過大問題，并探討其限位保護。文獻[9]選取172條近場長周期地震動，分析長周期地震動對處于不同隔震層位置的隔震結構影響。

從上述研究結果可知，已有研究大多介紹近場長周期對結構響應的理論分析，并未針對遠場、近場（脈沖、非脈沖）長周期的特性進行深入的討論，特別是缺乏結構模型的模擬地震動試驗驗證。目前，隔震結構的計算是利用普通周期地震動進行動力時程分析，并利用近場影響系數來考慮近場地震動，但在近場脈沖長周期地震動作用下，隔震結構的位移響應是否會超出此系數的考慮范圍，而造成隔震支座位移超限，結構失穩破壞，尚不明確。

基于此，本文首先對近場（脈沖、非脈沖）、遠場長周期地震動以及普通周期地震動作用特性進行對比分析；其次建立一個具有典型工程意義的大底盤上塔樓縮尺基礎隔震結構模型，研究其在長周期地震動作用下（尤其是近場脈沖長周期）可能出現的位移超限等問題，通過在隔震層增設黏滯阻尼器組成復合減隔震體系進行應對。對結構模型進行數值模擬和振動臺試驗，對比分析在上述地震動作用下結構的地震響應差異，并探究復合減隔震體系對于解決近場含脈沖長周期地震動作用下隔震層位移超限問題的有效性以及限位保護作用。