主-余震作用下框架-核心筒錯層隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

武倩倩, 劉德穩(wěn), 趙甜鴿, 鄭艷萍, 張 遠(yuǎn), 雷 敏

(1. 西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 云南 昆明 650000; 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610000)

0 引言

新型錯層隔震結(jié)構(gòu)是由基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和層間隔震結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的一種新型結(jié)構(gòu),三種結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。因其靈活的隔震布置方式,已經(jīng)在工程中得到應(yīng)用。內(nèi)蒙古包頭華發(fā)新天地項(xiàng)目是新型錯層隔震結(jié)構(gòu)的代表性工程,其核心筒隔震層在核心筒底部,框架隔震層設(shè)置在框架第3層[1]。海口美蘭機(jī)場T2航站樓[2]是我國首個規(guī)模最大的錯層隔震結(jié)構(gòu)建筑。張亞飛等[3-4]對新型錯層隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷分析,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)具有良好的減震性能且損傷較小。

圖1 三種結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three structures

大量震害資料表明,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時可能會伴隨著多次余震發(fā)生,余震對結(jié)構(gòu)帶來的損傷是不容被忽視的。通常情況下,主震和余震間隔時間較短,余震的震級要比主震震級小。如1999年發(fā)生在我國臺灣的集集地震[5],在7.6級主震過后,5.8級以上的強(qiáng)余震達(dá)5次之多;2008年發(fā)生在我國四川的汶川地震[6],在8.0級主震過后,便發(fā)生5次6.0級以上的強(qiáng)余震。2014 年在智利北部[7]發(fā)生8.2級主震,隨后發(fā)生了7.6 級強(qiáng)余震。國內(nèi)較早開展主-余震作用下地震動對結(jié)構(gòu)影響的是吳開統(tǒng)[8],闡述了余震及強(qiáng)余震的危害以及余震發(fā)生導(dǎo)致震區(qū)再次遭到破壞。劉潔亞等[9]分析了主-余震序列地震動下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的損傷,余震會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷更加明顯。Ruilong Han等[10]通過基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震風(fēng)險的研究,發(fā)現(xiàn)主-余震作用下的地震風(fēng)險會導(dǎo)致更高程度的破壞。對于結(jié)構(gòu)在主-余震地震動下的倒塌分析,余震會增加結(jié)構(gòu)的倒塌概率[11]。束偉農(nóng)等[12]通過彈塑性分析發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)在高烈度地區(qū)采用層間隔震技術(shù)可有效保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。周福霖等[13]通過對層間隔震結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化發(fā)現(xiàn),隔震層位置越低,上部結(jié)構(gòu)的減震效果越明顯。劉鈞付等[14]通過層間隔震技術(shù)發(fā)現(xiàn),對于大底盤多塔結(jié)構(gòu)整體減震效果良好,可以大幅減小地震反應(yīng),有效提高結(jié)構(gòu)抗震性能。于曉輝等[15]利用余震易損性分析方法發(fā)現(xiàn),伴隨著主震損傷提高,余震發(fā)生更嚴(yán)重破壞的概率也顯著提高。楊佑發(fā)等[16]利用增量動力分析方法,在Park-Ang損傷指數(shù)和地震動強(qiáng)度等參數(shù)下分析了山地掉層結(jié)構(gòu)在主-余震作用下的損傷程度。溫衛(wèi)平[17]研究了主-余震序列下單自由度體系后,發(fā)現(xiàn)余震繼續(xù)作用下結(jié)構(gòu)的滯回耗能較單獨(dú)主震作用時有所增加。王海東等[18-20]通過最大層間位移角、最大殘余層間位移角、頂點(diǎn)位移等來體現(xiàn)主-余震作用下對結(jié)構(gòu)的影響。強(qiáng)烈主震發(fā)生后結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的損傷,再經(jīng)歷強(qiáng)余震后會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的損傷累積,震害會進(jìn)一步加深。

目前規(guī)范對建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)基本上采用單一主震,未充分考慮余震地震動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的累積損傷影響。對于主-余震作用下新型錯層隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析,尚未見研究成果。基于此,本文建立了新型錯層隔震結(jié)構(gòu)模型,研究在主-余震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移、支座滯回耗能、結(jié)構(gòu)損傷等情況。

1 結(jié)構(gòu)建模

1.1 工程概況

某24層框架-核心筒新型錯層隔震結(jié)構(gòu),底層層高為4.5 m,標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.6 m,總高度為83.3 m,建筑平面尺寸為29.4 m×26.4 m,高寬比為3.1。該建筑抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,抗震設(shè)計(jì)分組為第二組,場地類別為Ⅱ類,場地特征周期為0.40 s,阻尼比0.05,最大影響系數(shù)0.45,折減周期為0.85,設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.2g。結(jié)構(gòu)的核心筒隔震層位于結(jié)構(gòu)的最底層,框架隔震層位于框架結(jié)構(gòu)的8～9層之間,隔震層層高為1.6 m,該結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[21]。柱和梁的混凝土強(qiáng)度等級均為 C40,鋼筋材料均為HRB400,混凝土保護(hù)層厚度為30 mm,梁的保護(hù)層厚度均為50 mm。新型錯層隔震結(jié)構(gòu)的立面圖和平面圖如圖2所示,柱、梁截面信息如表1所列。

圖2 新型錯層隔震結(jié)構(gòu)圖Fig.2 New staggered story isolation structure diagram

表1 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

1.2 建模信息

本文運(yùn)用有限元軟件ETABS建立高層新型錯層隔震結(jié)構(gòu)模型,約束邊緣構(gòu)件剪力墻采用分層殼模擬核心筒底部加強(qiáng)區(qū),設(shè)置在核心筒底部兩層,厚度為250 mm,非底部加強(qiáng)區(qū)采用彈性薄殼單元進(jìn)行模擬。框架單元與分層殼單元之間設(shè)有埋設(shè)梁,埋設(shè)梁X方向的抗剪剛度和繞Y軸方向的抗彎剛度進(jìn)行放大。在彈塑性工況的定義中設(shè)置P-Δ效應(yīng)幾何非線性來迭代計(jì)算。C40混凝土采用Takeda單元,HRB400鋼筋均采用Kinematic單元,混凝土材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。框架柱均采用纖維P-M2-M3鉸,框架梁和連梁兩端采用M3鉸。

圖3 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of concrete

鉛芯橡膠支座(Lead Rubber Bearing,LRB)采用非線性連接單元Rubber Isolator模擬,結(jié)構(gòu)分析采用直接積分法計(jì)算模型。隔震支座的參數(shù)如表2所列,隔震支座位置分布如圖4所示。

表2 隔震支座參數(shù)Table 2 Parameters of isolated bearings

圖4 隔震支座布置圖Fig.4 Isolated bearings layout

2 主-余震地震動的選取

選取的地震動可分為天然地震動與人工構(gòu)造地震動,真實(shí)地震序列可以從太平洋地震工程研究中心根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行挑選。挑選了5組真實(shí)主-余震地震動,主-余震地震動的挑選原則包括:(1)同一序列下的主震和余震來自于同一臺站;(2)一次主震后所記錄的多次余震中,選取強(qiáng)度最大的余震;(3)所選擇的地震波中主震PGA>余震PGA。所選擇的主-余震地震動序列信息如表3所列。

表3 主-余震地震動序列詳細(xì)信息Table 3 Detailed information of the mainshock-aftershock ground motion sequences

在對結(jié)構(gòu)非線性分析時,將主震和余震記錄組成地震動序列,在主震與余震中間加入一段時間間隔[22],以確保結(jié)構(gòu)在主震損傷后經(jīng)過足夠長時間的自由振動恢復(fù)到新的平衡狀態(tài),有利于地震響應(yīng)達(dá)到更好效果。衰減法[23]是根據(jù)主震與余震強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)關(guān)系和衰減模型預(yù)測挑選余震記錄。本文是選取主震和余震之間60 s的時間間隔相連接[23],作為一條地震動輸入進(jìn)行計(jì)算,并且對主震PGA統(tǒng)一調(diào)整為0.4g,并且相應(yīng)地將余震幅值進(jìn)行一定比例調(diào)整。主-余震作用下地震動組合方式如圖5所示。主-余震加速度時程反應(yīng)譜如圖6所示。

圖5 主-余震序列的構(gòu)造Fig.5 Construction of mainshock-aftershock sequences

圖6 主-余震加速度反應(yīng)譜Fig.6 Acceleration response spectrum of mainshock- aftershock sequences

3 主-余震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)周期

抗震結(jié)構(gòu)與新型錯層隔震隔結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)周期對比如表4所列,可知新型錯層隔震結(jié)構(gòu)的周期明顯延長,有利于降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

表4 前三階模態(tài)周期

3.2 層間位移

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行Ⅷ度罕遇地震下的非線性分析,提取結(jié)構(gòu)的層間位移如圖7所示。新型錯層隔震結(jié)構(gòu)的核心筒在框架隔震層以下部分與框架分離,框架隔震層以上部分與框架成一整體,因此框架隔震層以下部分的層間位移比框架隔震層以上部分的層間位移變化大。由圖7可知,在單獨(dú)主震和主-余震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移主要集中在框架隔震層以下幾層以及框架隔震層和核心筒隔震層。在框架隔震層以下結(jié)構(gòu)的層間位移大于框架隔震層以上結(jié)構(gòu)的層間位移。框架隔震層以下結(jié)構(gòu)的框架層間位移大于核心筒層間位移。新型錯層隔震結(jié)構(gòu)的框架隔震層位移大于核心筒隔震層位移。主-余震作用下結(jié)構(gòu)隔震層位移變形比非隔震層位移變形明顯。

新型錯層隔震結(jié)構(gòu)布置了核心筒隔震層和框架隔震層,在單獨(dú)主震和主-余震作用下隔震層位移對比如圖8所示。

圖7 層間位移對比圖Fig.7 Comparison diagram between story drifts

圖8 主-余震作用下結(jié)構(gòu)的隔震層位移Fig.8 Isolated layer displacement of structure under mainshock-aftershock sequences

由圖8可知:對比單獨(dú)主震作用下,框架隔震層在主-余震作用下位移增加78.70%,核心筒隔震層在下主-余震作用下隔震層位移增加60.54%。結(jié)構(gòu)的最大層間位移主要發(fā)生在隔震層,隔震支座起到較好的隔震效果。一般余震的震級比單獨(dú)主震震級要小,余震給結(jié)構(gòu)帶來的傷害更為嚴(yán)重,應(yīng)注意余震對結(jié)構(gòu)影響。

3.3 隔震支座承載力及變形驗(yàn)算

通過地震時程分析,罕遇地震作用下隔震支座承載力的驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果取5組地震動的最大值,隔震支座的應(yīng)力及最大水平變形結(jié)果如表5所列。

表5 隔震支座的應(yīng)力及變形Table 5 Stress and deformation of isolated bearings

根據(jù)抗震規(guī)定要求,隔震支座的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)大于30 MPa,拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa。隔震支座最大水平變形不應(yīng)超過橡膠支座800 mm,直徑的 0.55倍和橡膠層總厚度3倍二者的較小值。經(jīng)過分析,單獨(dú)主震作用下隔震支座最大壓應(yīng)力為19.78 MPa,支座最大拉應(yīng)力為0.75 MPa;主-余震作用下隔震支座最大壓應(yīng)力為19.99 MPa,支座最大拉應(yīng)力為0.79 MPa,隔震支座在主-余震作用下最大水平變形為 395 mm,均滿足規(guī)范要求。

3.4 主-余震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力損傷對比

以Imperial Valley地震波為例,結(jié)構(gòu)在主-余震地震作用下結(jié)構(gòu)核心筒的應(yīng)力損傷如圖9所示,框架塑性鉸如圖10所示。由圖可知:在單獨(dú)主震和主-余震作用下,核心筒的損傷主要集中在框架隔震層和核心筒隔震層之間,框架隔震層以下的核心筒損傷較上層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重,框架的塑性鉸集中在框架隔震層以下部分。在主-余震作用下,框架隔震層以上結(jié)構(gòu)、框架隔震層以下結(jié)構(gòu)以及核心筒比單獨(dú)主震作用下?lián)p傷都有所增加,分別增加8%、10%、19.80%。在主-余震作用下結(jié)構(gòu)的損傷比單獨(dú)主震作用下?lián)p傷更加嚴(yán)重,故不能忽視余震給結(jié)構(gòu)帶來的危害。

圖9 地震動作用下核心筒損傷(單位:MPa)Fig.9 Damage of core tube under ground motion (Unit:MPa)

新型錯層隔震結(jié)構(gòu)的框架隔震層角柱隔震支座和核心筒隔震層角部隔震支座的滯回曲線如圖11所示,由圖可知:與框架柱相連接的角柱隔震支座滯回曲線狀態(tài)非常飽滿,不管支座是在單獨(dú)主震作用下還是主-余震作用下耗能效果均較好,且具有較好的抗震性能和耗能能力;而與核心筒相連接的角部隔震支座滯回曲線飽滿程度較框架隔震支座差,耗能效果一般,但也能吸收一定量的地震能量。主-余震作用下框架和核心筒的隔震支座滯回曲線比單獨(dú)主震作用下隔震支座的滯回曲線飽滿。框架柱支座下的耗能曲線面積比核心筒支座耗能曲線面積大,因此與框架柱相連接的支座耗能比剪力墻下隔震支座耗能性能好。

4 總結(jié)

本文建立了有限元模型進(jìn)行時程分析,研究了新型錯層隔震結(jié)構(gòu)在主-余震作用下的層間位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力損傷以及隔震支座的滯回耗能情況。得出以下結(jié)論:

(1) 在單獨(dú)主震和主-余震作用下,新型錯層隔震結(jié)構(gòu)核心筒的損傷主要集中在框架隔震層和核心筒隔震層之間,框架的塑性鉸集中在框架隔震層以下部分,框架隔震層角柱支座的滯回曲線飽滿且比核心筒隔震層支座耗能好。

圖10 地震動作用下框架塑性鉸(B表示立即使用;C表示生命安全;E表示防止倒塌)Fig.10 Plastic hinge of frame under ground motion (B: immediate occupancy;C: life safety;E: collapse prevention)

圖11 隔震支座的滯回曲線Fig.11 Hysteretic curve of isolated bearings

(2) 在主-余震作用下,框架隔震層的以上框架部分和以下框架部分以及核心筒的損傷比單獨(dú)主震作用下?lián)p傷分別增加8%、10%和19.80%。

(3) 在主-余震作用下,結(jié)構(gòu)隔震層的最大層間位移均集中在框架隔震層,框架隔震層和核心筒隔震層的層間位移比單獨(dú)主震作用下分別增加78.70%、60.54%。