近斷層脈沖型地震動作用下高層建筑組合隔震的減震性能研究

潘欽鋒 顏桂云 吳應雄

摘要： 近斷層地震動中的長周期、短持時、高能量的加速度脈沖將對長周期高層隔震結構的減震性能產生不利影響，尤其易使LRB（lead-rubber bearing）支座產生超限變形，導致在大的面壓與位移共同作用下發生剪壓破壞;此外，考慮土-結構相互作用（SSI效應）后隔震結構將產生動力耦合效應，可能進一步放大隔震結構地震響應。提出滑板支座、復位裝置相結合的新型組合隔震系統，利用滑板支座承擔大的豎向荷載、復位裝置因不承擔豎向荷載而獲得更大的變形能力且起隔震層自復位作用。考察近斷層脈沖型地震動作用下長周期高層隔震結構的地震響應規律，揭示隔震體系的損傷機理。基于集總參數SR（sway-rocking）模型，分析不同場地類別與不同地震動類型對隔震體系動力響應影響規律。結果表明：近斷層罕遇地震下LRB隔震系統因變形超限而失效;新型組合隔震系統能保證近斷層脈沖型地震下隔震的有效性，且具有較為良好的減震性能，但相比普通地震動減震效果變差;對于Ⅲ，Ⅳ類場地類別，考慮SSI效應使隔震體系的剛度弱化，致使層間位移角增大，且隨著土質的變軟增大的幅度也越明顯。

關鍵詞： 組合隔震; 近斷層脈沖型地震動; 減震性能; 土-結構相互作用

中圖分類號： TU352.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號： 1004-4523（2019）05-0845-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.05.013

引 言

近年來，近斷層地震動造成結構物破壞的現象時有發生，例如1999年臺灣集集地震，對結構物造成了嚴重破壞。近斷層地震動中，部分地震動記錄具有長周期、短持時、高能量的加速度脈沖、大的加速度峰值等特點，亦被劃分為近斷層脈沖型地震動，其對于長周期的結構，可能造成較大的位移和變形，導致結構嚴重損壞[1-3]。目前，國內外對近斷層地震動作用下隔震結構動力行為開展了一些研究。王建強等[4]研究了近斷層脈沖型地震動及其特性對結構地震反應的影響，表明近斷層脈沖型地震動對基礎隔震結構的地震反應有較大影響，甚至可能造成支座由于水平變形較大而被破壞。吳應雄等[5]證明了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。韓淼等[6]研究了近斷層地震動特征參數對基礎隔震結構地震響應的影響。杜永峰等[7]研究了近斷層脈沖型地震動下，場地類別和震源機制對反應譜頻譜特性的影響，表明場地類別和震源機制不同，地震動強度指標與結構響應的相關程度不同。Jangid[8]對近斷層地震動作用下基礎隔震結構進行了地震反應分析和優化設計。Calugaru等[9]研究表明組合基礎隔震結構是一種有效的隔震減震技術。王棟等[10]采用天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、彈性摩擦滑板支座加阻尼器的組合基礎隔震系統，通過時程分析表明，組合基礎隔震系統可以有效減小近斷層地震下結構的地震響應。

已有研究表明，在近斷層脈沖型地震動作用下，隔震層易產生超限變形，而高層隔震結構支座承受更大的壓力，易致使鉛芯橡膠支座在大的面壓與位移共同作用下發生剪壓破壞。此外，在近斷層脈沖型地震動作用下考慮土-結構相互作用后的隔震結構將產生動力耦合效應，可能進一步放大隔震結構地震響應。為此，近斷層脈沖型地震動作用下長周期的高層隔震的非線性減震機理與減震性能需進一步探討。

本文提出滑板支座、復位裝置相結合的新型組合隔震系統，利用滑板支座承擔大的豎向荷載，復位裝置不承擔豎向荷載而獲得更大的變形能力且起隔震層自復位作用。考察近斷層脈沖型地震動作用下長周期的高層隔震結構的層間位移角、樓層加速度、隔震層變形等響應規律，揭示隔震體系的損傷機理，探討地震動特性與土-結構動力相互作用對新型組合隔震系統減震性能的影響。

1 近斷層脈沖型地震動的選用

Loh等[11]指出峰值地面速度與峰值地面加速度之比（PGV/PGA）是識別近震效應的主要特征，PGV/PGA>0.2 s，近震對結構的效應明顯。本文從美國太平洋地震工程研究中心強震數據庫中（http：//peer.berkeley.edu/）選取6條近斷層脈沖型地震動記錄，同時選取3條普通地震動記錄El-Centro，Taft，TCU071，如表1所示。表中PGD為峰值地面位移，Tp為加速度脈沖周期，以體現近斷層脈沖型地震的加速度脈沖特性。

2 新型組合基礎隔震方案

文獻[12]研究表明，在5 MPa的較小豎向壓縮面壓下，鉛芯橡膠支座可獲得400%剪切應變（對應于0.7-0.8倍支座直徑的剪切變形）的良好變形能力。據此，本文擬采用鉛芯橡膠支座用作復位裝置而非傳統隔震支座，兼起一定的耗能作用。提出新型組合隔震方案：滑板支座（ESB）+鉛芯橡膠復位裝置。由滑板支座承擔豎向荷載，鉛芯橡膠復位裝置因無需承擔豎向荷載而可獲得更大的變形能力，并起到復位與耗能作用。故而避免鉛芯橡膠支座基礎隔震中或傳統滑板支座（ESB）與鉛芯橡膠支座組合隔震中，支座在大的面壓與位移下發生剪壓破壞。

3 高層建筑新型組合隔震減震性能〖*2〗3.1 結構模型參數 ?某一幢15層框架-剪力墻隔震結構，結構總長為48 m，寬為15 m，底層層高4.2 m，其余樓層層高3.3 m，高寬比為3.36。隔震層位于結構底部，層高1.5 m，隔震層梁截面尺寸為400 mm×800 mm。設防烈度8度（0.20g），地震設計分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。剪力墻與柱混凝土強度等級C40，梁混凝土強度等級C30。結構平面與LRB隔震支座布置如圖1所示，新型組合隔震系統布置如圖2所示，隔震支座參數信息如表2與3所示。表2中等效阻尼比、等效剛度為支座100%剪切應變時的數值。

通過Midas/Gen 建立框架-剪力墻隔震結構有限元分析模型，如圖3所示。在框架梁端、柱端與剪力墻端考慮集中塑性鉸，塑性鉸的模型采用由屈服強度和屈服后剛度折減系數定義的雙折線模型。抗震結構模型的第1自振周期為1.16 s，基礎隔震與新型組合隔震結構的第1自振周期分別為2.76，3.86 s。

3.2 近斷層脈沖型地震動作用下結構響應分析

3.2.1 LRB隔震結構地震響應

圖4為近斷層脈沖型地震動設防烈度下結構的層間位移角響應。由圖可見，普通地震動作用下隔震層上部結構的層間位移角減震效果明顯。近斷層脈沖型地震動作用下的鉛芯橡膠基礎隔震結構減震性能較好，但部分地震動的層間位移角減震效果明顯劣于普通地震動。

表4為8度設防烈度下基礎隔震結構的減震系數。由表可得，普通地震動減震系數在0.35以內，平均減震系數均低于0.35。近斷層脈沖型地震減震系數在0.6以內，平均減震系數低于0.5。分析表明，鉛芯橡膠基礎隔震結構在設防烈度下的減震效果良好，但普通地震動作用下的減震效果優于近斷層脈沖型地震動。

表5為設防烈度下基礎隔震結構隔震支座的最大變形值。表中可得，近斷層脈沖型地震動作用下的支座平均最大變形值達到普通地震動的3倍以上，尤其是TCU102作用下隔震支座變形在設防烈度下已超限。由此表明，在近斷層脈沖型地震動加速度脈沖的作用下，隔震支座將產生較大的變形，從而導致支座在設防烈度下就可能發生超限破壞，按《建筑抗震設計規范》中近場影響系數1.5進行的隔震設計可能偏不保守。

圖5與表6分別為罕遇地震下結構彈塑性層間位移角響應與減震率。結合圖5與表6可得，普通地震動作用下隔震結構彈塑性層間位移角減震效果明顯，減震率均在60%以上。近斷層脈沖型地震動作用下，隔震結構下部1層彈塑性層間位移角減震效果較差，部分地震動作用下底部1層出現放大效應，其余樓層的平均減震率均在40%以上。可見，近斷層脈沖型地震下結構的彈塑性層間位移角減震效果明顯差于普通地震動。

表7為罕遇地震作用下隔震結構的加速度減震率。由表可見，普通地震下基礎隔震結構的加速度減震率為65%-90%之間，平均減震率在70%以上;近斷層脈沖型地震下的加速度在30%-70%之間，平均減震率均大于50%。結果表明，罕遇地震下的鉛芯橡膠基礎隔震對于結構的樓層加速度具有很好的減震效果，但近斷層脈沖型地震動作用下的加速度減震效果劣于普通地震動。

表8為罕遇地震下隔震支座最大變形值。由表可得，普通地震動作用下隔震支座的最大變形平均值為138 mm。近斷層脈沖型地震動作用下隔震支座的平均最大變形值為普通地震動的3倍，且超過鉛芯橡膠支座最大容許變形值（0.55D）。由此表明，在近斷層脈沖型罕遇地震動加速度脈沖作用下，鉛芯橡膠基礎隔震已經失效，《建筑抗震設計規范》中取近場影響系數1.5，不能充分考慮脈沖型地震動對隔震結構的影響。

3.2.2 新型組合隔震結構地震響應

圖6為設防烈度下結構的層間位移角響應。由圖可得，普通地震動作用下隔震層上部結構層間位移角減震效果明顯。近斷層脈沖型地震動作用下的層間位移角減震效果較好，但劣于普通地震動下的減震效果。

表9為近斷層脈沖型地震設防烈度下鉛芯基礎隔震與新型組合隔震結構的減震系數。表中可得，近斷層脈沖型地震下鉛芯基礎隔震結構的減震系數在0.6以內，平均減震系數0.30-0.45之間;新型組合隔震的減震系數在0.55以內，平均減震系數在0.25-0.40之間。可見，新型組合隔震結構的減震效果優于鉛芯橡膠支座基礎隔震。

表10為8度設防烈度下隔震支座的最大變形值。普通地震下隔震支座的平均位移為54 mm，近斷層脈沖型地震動作用下隔震支座最大變形比普通地震動顯著放大4倍。分析表明，由于脈沖特性的影響，隔震支座在近斷層脈沖型地震動作用下的位移值將明顯增大。且按《建筑抗震設計規范》中近場影響系數1.5的新型組合隔震結構設計，不能夠有效反應脈沖特性對隔震結構的不利影響。

圖7與表11分別為罕遇地震下新型組合隔震的彈塑性層間位移角響應與減震率。由圖7表明，新型組合隔震對普通地震動具有很好的減震性能，且減震效果優于近斷層脈沖型地震動。表11表明，近斷層脈沖型地震動作用下新型組合隔震結構減震性能較明顯，但底部一層的彈塑性層間位移角有所放大，且減震效果劣于普通地震動。鉛芯橡膠基礎隔震減震性能比新型組合隔震優越，但近斷層脈沖型地震下的鉛芯橡膠基礎隔震由于隔震層位移過大而處于失效狀態，不能滿足近斷層脈沖型地震下的結構減震需求。

表12分別為罕遇地震下基礎隔震與新型組合隔震結構樓層加速度減震率。表中可得，近斷層脈沖型地震動作用下基礎隔震結構加速度的平均減震率在50%-70%之間;新型組合隔震的加速度減震率均在30%以上，平均減震率在45%-80%之間，中部樓層加速度減震率明顯提高15%左右。表明，新型組合隔震加速度減震效果與鉛芯橡膠基礎隔震結構相近，但中部樓層的加速度減震效果能得到明顯提高。

表13為罕遇地震下隔震支座的最大變形值。普通地震動作用下隔震支座的平均最大變形值為142 mm，遠低于ESB容許變形值500 mm。近斷層脈沖型地震下的隔震支座平均最大變形值為444 mm，明顯比普通地震動大3倍，但仍在ESB與復位裝置允許變形范圍內。

圖8為罕遇地震下結構的塑性鉸分布。由圖表明，普通地震下的抗震結構框架與剪力墻連梁出現大量塑性鉸，剪力墻底部也有少量塑性鉸出現，但經隔震后框架與剪力墻的塑性鉸全部消失。近斷層脈沖型地震動作用下的抗震結構框架與剪力墻塑性鉸的數量明顯比普通地震動多，且經隔震后框架與剪力墻連梁存在塑性鉸。新型組合隔震結構對于普通地震動與近斷層脈沖型地震動均具有顯著減震效果，但近斷層脈沖型地震下的新型組合隔震隔震結構損傷相對于普通地震動明顯加劇。

為討論不同剪切波速對考慮SSI 效應的層間隔震結構產生的影響，采用3 種不同剪切波速的地基土，代表不同場地土的軟硬程度，且暫不考慮覆土層厚度。按式（1） 中所提供算式計算土彈簧的水平剛度、水平阻尼系數及轉動剛度、轉動阻尼系數，詳細參數如表14所示。由表可見，土彈簧的剛度隨土的剪切波速及密度的增大而增大，即土越硬，剛度越大。

3.3.2 新型組合隔震考慮SSI效應結構響應分析

圖9為不同場土地類別考慮SSI效應后，近斷層脈沖型地震動與普通地震動作用下結構的峰值層間剪力反應。由圖可見，考慮土與結構共同作用后，普通地震動與近斷層脈沖型地震動作用下新型組合隔震結構的峰值層間位移變化較小，均在5%以內。分析表明，考慮SSI效應后，結構自振周期的降低對于基礎隔震結構的最大層間剪力影響較小。

不同場土地類別考慮SSI效應后，近斷層脈沖型地震動與普通地震動作用下結構的彈塑性層間位移角如圖10所示。普通地震動作用下新型組合隔震結構考慮土與結構共同作用后，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類場地平均彈塑性層間位移角最大分別增大6.6%，19.2%，56.8%;而近斷層脈沖型地震動作用下的平均彈塑性層間位移角最大值分別增大10.8%，40.5%，72.3%。分析原因，主要是因為考慮SSI效應后，結構的自振周期相比底部固結的有所增大，結構的剛度降低導致結構的層間位移角增大;此外，近斷層地震動加速度脈沖與土-結構相互作用產生動力耦合效應導致層間位移角明顯大于普通地震動下的層間位移角。Ⅲ和Ⅳ類場地考慮SSI效應的層間位移角增大35%以上。

表15為不同場地土考慮SSI效應下，近斷層脈沖型地震下隔震支座的最大變形值。由表可見，近斷層脈沖型地震動考慮SSI效應后，隔震支座的最大變形值隨著場地的變軟逐漸增大，但變化并不明顯。

4 結 論

（1） 近斷層脈沖型地震動作用下，鉛芯橡膠基礎隔震結構雖然具有一定減震效果，但相比普通地震動作用下減震效果變差。此外，近斷層脈沖型罕遇地震動作用下的隔震支座變形均已超限，易致使鉛芯隔震系統失效破壞。

（2） 提出的滑板支座、鉛芯橡膠復位裝置相結合的新型組合隔震系統，由于鉛芯橡膠復位裝置不承受面壓，復位裝置的最大變形值得以放寬，新型組合隔震系統能保證近斷層脈沖型地震下隔震的有效性，且具有較為良好的減震性能。此外，近斷層脈沖型地震下的隔震支座最大變形值大于普通地震的1.5倍，抗震規范中近場影響系數1.5不能充分地考慮脈沖地震動對隔震結構的不利影響。

（3） 近斷層脈沖型地震動作用下，考慮SSI效應后隔震結構的峰值層間剪力基本不受影響;SSI效應使得隔震體系的剛度弱化，致使層間位移角增大，且隨著土質的變軟（Ⅲ，Ⅳ類場地）增大的幅度也越明顯;此外，近斷層地震動加速度脈沖與土-結構相互作用的動力耦合效應導致層間位移角進一步增大。因此，近斷層脈沖型地震動作用下Ⅲ和Ⅳ類場地上基礎隔震結構設計應考慮SSI效應對結構的不利影響，近斷層脈沖型地震動作用下Ⅳ類場地須謹慎采用隔震方案。

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Abstract： The horizontal pulse motions of acceleration featured by long period， short duration and high energy in near-fault ground motions would exert the adverse impacts on the seismic performance of the long-period base-isolated high-rise structures， resulting in the excessive deformation of the LRB. The shear-compression failure of the isolation bearing would be caused under the cooperative action of large surface pressure and the excessive deformation. Furthermore， the soil-structure interaction （SSI） would result in the dynamic coupling effect， which may further amplify the seismic response of the isolated structure. To this end， a new-type composite isolation system that combined slide bearings and reset devices is presented， in which the slide plate bearings is used to resist large vertical load， and because of no bearing vertical load the reset devices get greater deformation capacity and act as a self-reset function of the shock isolation layer. Then， the impacts of near-fault pulse ground motions on the base-isolated high-rise structures are revealed， and the damage mechanism of the isolation system is examined. Further， based on the sway-rocking model， the effects of different site types and different ground motion types on the dynamic response of the isolation system are analyzed. The results show that the excessive deformation of the LRB system subjected to near-fault rarely ground motions are caused， resulting in the failure of the lead rubber system. The new-type composite isolation system can ensure the effectiveness of isolation subjected to near-fault pulse ground motions， and has good seismic absorption performance which is worse than that under ordinary ground motion. For Ⅲ and Ⅳ sites， the interstory drift ratios increase obviously with the soil softening because of the SSI effect weakening the stiffness of the seismic isolation system.

Key words： composite isolation; near-fault pulse ground motions; shock absorption performance; soil-structure interaction

作者簡介： 潘欽鋒（1975-），男，碩士，副教授。 電話：13338283456;E-mail：phnpan@163.com

通訊作者： 吳應雄（1969-），男，博士，博導，副教授。電話： 13950075100;E-mail： wyxfz2006@163.com