三維遠場長周期地震下層間隔震結構減震性能分析

周旺旺，劉德穩，2，陳李昊，劉 陽，楊 帆

（1.西南林業大學土木工程學院，昆明 650000；2.西南林業大學博士后流動站，昆明 650000；3.同濟大學土木工程學院，上海 200123）

層間隔震結構是在基礎隔震結構的基礎上發展而來的一種新型隔震結構，近年來成為防災減災領域的研究熱點之一，兩種隔震結構的對比如圖1所示。

圖1 基礎隔震結構與層間隔震結構示意圖

宋曉等[1]基于Timoshenko理論建立層間隔震連續化分析模型，研究層間隔震結構減震效果隨隔震層位置、隔震層剛度、阻尼變化的影響規律。劉彥輝等[2]分別采用剛度非退化和退化的Bouc-Wen模型模擬隔震層及其他樓層的恢復力特性，運用虛擬激勵法對層間組合隔震結構進行隨機響應分析。張瑞甫等[3]提出采用慣容隔震系統提高能量耗散效率控制地震響應，并以一個標準鋼結構模型驗證了方法的有效性。崔俊偉等[4-5]針對大底盤層間隔震結構，分別進行了抗震性能分析與結構方案選型及設計。Wang等[6-7]對基礎隔震與層間隔震建筑的動力性能差異進行了試驗研究。Skandalos等[8]針對層間隔震計算產生的混合整數問題，對求解連續變量問題的元啟發算法和無導數算法進行了比較評價。Tsuneki 等[9]指出相對于基礎隔震，高層建筑層間隔震結構在中間設置隔震層，上部結構具有較高的抗震能力體系的物理性能。Kim等[10]對某高層建筑結構進行了智能中層隔離控制系統的優化設計，該系統由橡膠軸承和磁流變阻尼器組成，結果表明該方法能有效地減少地震引起的層間和隔震體位移。譚潛等[11]對遠場長周期地震動特征進行了分析，分析結果表明，遠場長周期地震動具有低幅值、長持時、頻譜長周期段幅值較大的特點。顏桂云等[12-13]探討在遠場長周期地震動激勵下，對基礎隔震結構進行了減震性能分析。目前，層間隔震研究主要集中在普通地震以及少部分的近斷層地震研究[14-16]，缺少遠場長周期地震動對層間隔震結構影響的相關研究。

以上均為水平向地震下的層間隔震結構響應研究，但實際地震具有多維特性，只考慮水平往往不夠真實全面，而且遠場長周期地震不同于普通地震，具有長持時、低頻成分豐富等特征，可能會對隔震類等周期較大的結構產生不利影響，值得探討?；诖?，本文首先建立大底盤層間隔震結構模型，接著輸入六條三維遠場長周期地震和三條三維普通地震，然后對結構進行動力彈塑性分析，探討層間隔震的減震性能。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

某9 層大底盤框架層間隔震結構，上部塔樓長寬均為18 m，下部底盤長寬均為30 m，總高度為34.8 m，下部底盤2 層高4 m，上部塔樓層高均為3.6 m，在底盤與塔樓連接處設置1.6 m的隔震層。設防烈度8 度，設計基本地震加速度值為0.20 g，場地類別Ⅱ類，地震設計分組第二組。底盤柱尺寸為900 mm×900 mm，梁尺寸為350 mm×700 mm；塔樓柱尺寸為700 mm×700 mm，梁尺寸為300 mm×600 mm，柱、梁混凝土強度等級均為C30，鋼筋材料縱筋為HRB400，箍筋為HPB300，混凝土保護層厚度為30 mm。大底盤層間隔震結構的3D 圖、立面圖如圖2所示。

圖2 大底盤層間隔震結構圖

1.2 模型建立

運用有限元軟件ETABS 建立大底盤層間隔震結構模型，隔震支座根據總水平屈服力為重力荷載標準值下基底豎向反力的2%來布置，結構角柱隔震支座均使用LRB700 鉛芯橡膠隔震支座，邊柱使用LRB600 鉛芯橡膠隔震支座，其余柱子使用LNR500 橡膠隔震支座，隔震支座布置如圖3 所示，隔震支座參數如表1 所示。梁柱采用空間梁柱單元，樓板采用殼單元，隔震支座采用Ⅰsolator 單元，C40 混凝土采用Takeda 滯回類型，HPB300 和HRB400鋼筋均采用Kinematic滯回類型。框架柱均采用纖維P-M2-M3 鉸，框架梁和連梁兩端采用M3鉸。

表1 隔震支座產品規格

圖3 隔震支座布置圖

1.3 地震波選取

從美國太平洋地震中心選取6條臺灣集集遠場長周期地震，其中三條遠場類諧和長周期地震波CHY092、ⅠLA004、TCU006，三條遠場非類諧和長周期地震波TTN008、KAU015、TAP012，以及三條普通地震遷安波、上海人工波和天津波，三向地震分量的加速度比值按1:0.85:0.65 比例調整，地震波信息如表2所示，加速度反應譜如圖4所示。

圖4 加速度反應譜

表2 地震波信息

2 三維地震下層間隔震結構地震響應分析

2.1 結構周期

抗震結構與層間隔震結構周期對比如表3所示。

由表3可知：層間隔震結構前6階周期均大于抗震結構，最大結構周期由1.338 s 擴大至3.079 s，放大了2.3倍，這是由于層間隔震結構中添加的隔震支座使結構整體變柔，周期延長。

表3 結構周期對比

2.2 三維地震動下結構地震響應分析

將地震峰值調幅至4 m/s2，進行8度罕遇地震動力彈塑性分析，對結構分別輸入三條普通地震波，三條遠場非類諧和地震波、三條遠場類諧和地震波，得出結構的層間位移角對比如圖5，基底剪力對比如圖6，由對比結果分析層間隔震的減震率，減震率=（抗震結構響應-隔震結構響應）/抗震結構響應。

由圖5可知：三維地震激勵下，遠場長周期的層間位移角遠大于普通地震。在三維普通地震、三維遠場非類諧和地震、三維遠場類諧和地震激勵下，層間隔震上部結構平均減震率分別為0.60、0.50、0.43，下部結構平均減震率分別為0.61、0.30、0.26，由此可知，層間隔震上部結構減震性能優于下部結構，在三維普通地震激勵下減震性能優于遠場長周期地震，這是由于遠場長周期中長周期成分的影響，使減震性能降低，遠場類諧和地震中的類諧和成分也會使減震性能降低。此外，根據規范[17]要求，隔震結構上部層間位移角限值為0.005，結構下部層間位移角限值為0.004。在三維遠場長周期地震激勵下，結構層間位移角存在超限問題。

圖5 結構層間位移角對比圖

由圖6可知：三維地震激勵下，遠場長周期的層間剪力遠大于普通地震。在三維普通地震、三維遠場非類諧和地震、三維遠場類諧和地震激勵下，層間隔震上部結構平均減震率分別為0.68、0.67、0.34，下部結構平均減震率分別為0.67、0.65、0.32，由此可知，結構上部減震率略優于下部減震率，層間隔震結構在三維遠場類諧和地震作用下減震效果變差。

圖6 結構層間剪力對比圖

2.3 三維地震下隔震支座位移

三維地震激勵下，層間隔震結構的隔震支座位移如表4所示。

由表4可知：根據隔震支座水平位移限值要求，支座位移不超過0.55 倍支座有效直徑和3.0 倍橡膠總厚度的最小值，最小值為0.55×700=385 mm。三維地震激勵下，遠場長周期的支座位移遠大于普通地震，其中遠場非類諧和地震產生的最大位移為483.2 mm，超過限值的0.25倍；遠場類諧和地震產生的最大位移為775.4 mm，超過限值的1.01 倍，將導致隔震支座發生破壞。

表4 隔震支座位移

3 三維隔震支座與傳統水平隔震支座地震響應分析對比

層間隔震結構中隔震層支座一旦發生破壞，會引起隔震層減震作用失效，造成更嚴重的結構破壞。針對出現的結構層間位移角與隔震支座位移超限問題，將傳統水平隔震支座替換為三維隔震支座，三維隔震支座分為兩部分，上部為豎向隔震部分，下部為水平隔震部分，三維隔震支座構造如圖7 所示。水平隔震部分布置相同的LRB700、LRB600 和LNR500 隔震支座，在豎直方向設置碟形彈簧支座，碟形彈簧采用高強度鋼材60Si2MnA，材料參數為：彈性模量2.05×105MPa、屈服強度1 500 MPa、切線模量75 MPa和泊松比0.3。并在隔震層處設置黏滯阻尼器配合進行隔震，黏滯阻尼器在ETABS中通過Damping單元進行模擬，該單元可模擬一種無剛度、速度相關型耗能器，其阻尼力公式如下為：

圖7 三維隔震支座構造圖

式中：Cd為阻尼系數；V為阻尼器速度；α為速度指數。

工程中速度指數一般為0.3～0.6，本文選取速度指數為0.3，黏滯阻尼器的阻尼系數為1 200 kN·s/m。用此三維隔震支座替換傳統水平隔震支座，在罕遇地震下進行動力彈塑性分析，與傳統水平隔震支座進行減震對比分析。

3.1 結構內力對比

輸入三維地震動，取每類地震的包絡值，三維隔震支座結構與傳統水平隔震支座結構的層間位移角結果對比如圖8所示，層間剪力對比如圖9所示。

圖9 結構層間剪力對比圖

由圖8可知：在三維地震激勵下，三維隔震支座減震性能均優于傳統水平隔震支座，普通地震下降低了33%結構響應，遠場長周期地震下降低了61%～69%結構響應，產生的上部結構最大層間位移角為0.004 97，下部結構最大層間位移角為0.002 3，均不超過規范限值。

圖8 結構層間位移角對比圖

由圖9可知：在三維地震激勵下，三維隔震支座減震性能優于傳統水平隔震支座，普通地震下降低了23%結構響應，遠場長周期地震下降低了44%～61%結構響應。

3.2 支座位移對比

罕遇地震下，輸入三維地震動，傳統水平隔震支座結構與三維隔震支座結構的支座位移對比如表5所示。

由表5可知：在三維地震激勵下，三維隔震支座產生的位移遠小于傳統水平隔震支座，支座位移最大值為348.9 mm，不超過支座限值的385 mm，符合要求。

表5 隔震支座位移

3.3 豎向減震能力對比

罕遇地震下，輸入三維地震動，取每類地震的包絡值，兩種不同隔震支座結構對豎向地震力的減震能力對比如表6、表7所示。

由表6、表7 可知：三維隔震支座對結構的最大豎向位移、頂層豎向加速度都有明顯降低，豎向支座位移降低了30 %～44 %，頂層豎向加速度降低了65%～72%，分析結果表明，三維隔震支座比傳統水平隔震支座具有更好的豎向地震減震性能。

表6 隔震支座對豎向位移的影響

表7 隔震支座對頂層豎向加速度的影響

4 結語

建立了某大底盤層間隔震結構模型，輸入三維地震動，進行罕遇地震下動力彈塑性分析。針對三維遠場長周期地震下，結構出現的層間位移角與隔震支座位移超限問題，設置三維隔震支座，并與傳統水平隔震支座結構進行了地震響應分析對比，得到以下結論：

（1）層間隔震結構在三維遠場長周期地震激勵下，結構響應遠大于三維普通地震，并且出現結構層間位移角與隔震支座位移超限問題，尤其是遠場類諧和地震中的類諧和成分對結構會產生更不利影響。

（2）在三維普通地震、三維遠場非類諧和地震、三維遠場類諧和地震分別激勵下，結構層間位移角上下部減震率區間為0.60～0.61、0.30～0.50、0.26～0.43，層間剪力上下部減震率區間為0.67～0.68、0.65～0.67、0.32～0.34，層間隔震在三維普通地震激勵下減震效果表現良好，在三維遠場長周期地震激勵下減震效果變差。

（3）設置三維隔震支座后，層間隔震在三維遠場長周期地震下減震效果表現良好，三維隔震支座各項減震性能均優于傳統水平隔震支座，并且解決了結構層間位移角與隔震支座超限問題，結構更具安全性，對豎向地震力也表現出良好的減震性能。