基底懸擺隔震結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值分析

摘要：基底懸擺隔震（base-suspended pendulum isolation，BSPI）結(jié)構(gòu)是一種新型懸掛隔震結(jié)構(gòu)體系.首先介紹BSPI結(jié)構(gòu)的懸掛隔震層構(gòu)造和力學(xué)模型.然后通過振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元建模方法的正確性.最后建立BSPI結(jié)構(gòu)和常規(guī)框架的有限元模型，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，得到不同地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)比分析了BSPI結(jié)構(gòu)和常規(guī)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能.研究結(jié)果表明：BSPI結(jié)構(gòu)因設(shè)置了懸掛隔震層，整體抗側(cè)剛度降低，罕遇地震作用下加速度響應(yīng)顯著減小，僅為常規(guī)框架的1/5～1/2；通過在懸掛隔震層設(shè)置黏滯阻尼器，有效地控制了結(jié)構(gòu)整體位移，相比于BSPI無控結(jié)構(gòu)，罕遇地震作用下BSPI有控結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)層間位移降低了約50%；罕遇地震作用下，BSPI上部結(jié)構(gòu)的層間位移角小于1/100，滿足抗震設(shè)防目標(biāo).

關(guān)鍵詞：基底懸擺隔震結(jié)構(gòu)；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；動(dòng)力響應(yīng)；數(shù)值模擬；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU351；TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

懸掛結(jié)構(gòu)體系是使用吊桿將部分子結(jié)構(gòu)懸掛于主體結(jié)構(gòu)上而構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)體系，被懸掛的結(jié)構(gòu)稱為子結(jié)構(gòu)，通常在主-子結(jié)構(gòu)之間設(shè)有耗能裝置，通過設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)類似TMD的主-子結(jié)構(gòu)的減震效果［1-4］.懸掛結(jié)構(gòu)體系因獨(dú)特的抗震性能，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.傳統(tǒng)的懸掛結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域［5］，如斜拉橋、懸索橋等，其具有受力明確、跨度大等優(yōu)點(diǎn).隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，懸掛結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)于大跨結(jié)構(gòu)和高層結(jié)構(gòu)中，如著名的德國(guó)慕尼黑寶馬（BMW）公司辦公大樓、香港匯豐銀行大廈等［6］，并提出了比以往更嚴(yán)格的抗震安全性和適用性要求.

針對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了探索.Bakhshi等［7］提出了懸擺隔震體系的概念，把上部結(jié)構(gòu)布置在懸掛板上，從而形成一個(gè)柔性界面，上部結(jié)構(gòu)按擺動(dòng)周期進(jìn)行平動(dòng).同時(shí)對(duì)該體系進(jìn)行了4/25比尺的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示，該體系具有良好的抗震性能.Nakamura等［8］提出了核心筒懸掛隔震體系，闡述了其結(jié)構(gòu)隔震機(jī)理，并對(duì)一幢應(yīng)用該體系的核心筒懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工程試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明核心筒懸掛隔震體系減震效果明顯.王學(xué)慶［9］建立了懸掛體系的單質(zhì)點(diǎn)和雙質(zhì)點(diǎn)力學(xué)模型，并進(jìn)行了比較分析，在體系的質(zhì)量比和剛度比達(dá)到一定量值后，體系可以簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)模型.He等［10］提出了多層懸掛樓板體系，將樓層的吊點(diǎn)設(shè)置在立柱上，進(jìn)行了抗震性能分析并提出了體系的最佳周期比.Du等［11］對(duì)一例巨型框架懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并與常規(guī)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震性能.譚平等［12］建立了懸吊隔震結(jié)構(gòu)體系兩個(gè)自由度的力學(xué)等效模型，提出了懸吊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.目前懸掛結(jié)構(gòu)體系大都具有主-子結(jié)構(gòu)體系，必須兼顧兩部分的抗震性能，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，工程應(yīng)用具有局限性.魯亮等［13］在上述研究的基礎(chǔ)上提出了BSPI結(jié)構(gòu)體系，與傳統(tǒng)主-子結(jié)構(gòu)體系的懸掛結(jié)構(gòu)不同，該結(jié)構(gòu)體系的主要技術(shù)特征是將上部結(jié)構(gòu)懸掛在剛度近似無限的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，比如地下室箱型基礎(chǔ)，由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度極大，自身抗震要求易得到滿足，也免去了對(duì)主-子結(jié)構(gòu)相互作用的考慮.由于懸掛隔震層的存在，BSPI結(jié)構(gòu)體系隔震層抗側(cè)剛度小，地震作用下上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)明顯減小.

為進(jìn)一步研究BSPI 結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文對(duì)BSPI結(jié)構(gòu)構(gòu)造和力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，通過質(zhì)量塊等效模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元建模方法進(jìn)行驗(yàn)證［13］，最后建立BSPI結(jié)構(gòu)和常規(guī)設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土框架（reinforced concrete frame，RCF）結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)BSPI 結(jié)構(gòu)和RCF 結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)兩類結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行比較分析.

1 BSPI 結(jié)構(gòu)

1.1 BSPI 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

BSPI結(jié)構(gòu)可分為上部結(jié)構(gòu)（被懸掛結(jié)構(gòu)）、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（懸掛結(jié)構(gòu)）與懸掛層（隔震層）等部分，上部結(jié)構(gòu)為普通框架結(jié)構(gòu)或其他類型結(jié)構(gòu)，懸掛層由吊桿、柱底托板、黏滯阻尼器等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)體系示意圖和懸掛層構(gòu)造詳圖分別如圖1、圖2所示.BSPI結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征可以概括為：1）與傳統(tǒng)懸掛結(jié)構(gòu)的主-子結(jié)構(gòu)體系不同，將整體結(jié)構(gòu)懸掛于剛性基礎(chǔ)上，可認(rèn)為剛性基礎(chǔ)（名義主結(jié)構(gòu)）的剛度無限大，不考慮主-子結(jié)構(gòu)的相互作用；2）通過懸掛上部結(jié)構(gòu)的隔震方式，降低了上部結(jié)構(gòu)受到的地震作用，獲得隔震效果；3）由結(jié)構(gòu)自身重力提供恢復(fù)力，實(shí)現(xiàn)地震作用下的自復(fù)位；4）在上部結(jié)構(gòu)和剛性基礎(chǔ)之間設(shè)置黏滯阻尼器，對(duì)結(jié)構(gòu)整體位移進(jìn)行控制，同時(shí)起到耗散地震能量的作用.

1.2 隔震層力學(xué)模型

基底懸擺隔震結(jié)構(gòu)通過吊桿將上部框架懸掛于剛性基礎(chǔ)上，當(dāng)不設(shè)阻尼器時(shí)，整個(gè)懸擺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)類似單擺擺動(dòng).對(duì)懸掛隔震層進(jìn)行簡(jiǎn)化，其力學(xué)模型如圖3所示.