近場地震作用下不規(guī)則層間隔震結構的動力響應分析①

李 慧，包 超，杜永峰

（1．蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；2．蘭州理工大學 防震減災研究所，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

層間隔震作為一種新型的隔震技術，其隔震原理源自基礎隔震，但又有別于基礎隔震。層間隔震就是將隔震層置于結構中間某層，利用隔震系統(tǒng)的阻尼來吸收地震輸入結構的能量，從而減小結構的地震反應。層間隔震結構的隔震層設置在結構某一層的柱頂，上部結構底部周圍沒有障礙阻止其發(fā)生較大變形，故無需預留空間或相應的構造措施。此外，層間隔震結構可以有效減小隔震器所承受的豎向荷載，減小結構高寬比，避免隔振器受到周圍環(huán)境和地基中腐蝕物質(zhì)的影響［1－2］。

層間隔震結構有明確的工程需求，其研究工作幾乎與實際工程應用同步。因此雖然有一些工程應用，但還沒有較為系統(tǒng)的研究成果［3］，而且作為一種新型的隔震形式，層間隔震結構的工作機理研究還不很充分［2］。近年來，幾次主要的大地震，例如1994年美國Northridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年土耳其Kocaeli地震、1999年臺灣Chi－Chi地震等，對結構物造成了嚴重破壞［4］，這種以斷層滑移為本質(zhì)特征的地震具有強方向性、包含有明顯的長周期速度和位移脈沖以及較大的峰值加速度等特征［5－7］，有必要對近斷層地震作用下不同形式結構的地震響應進行研究。因此，本文采用時程分析法并選用脈沖分量為主的近場地震波研究層間隔震結構響應狀況，進一步認識結構近場地震動特性并為近場不規(guī)則結構提供理論依據(jù)。

1 層間隔震結構計算模型

由于隔震層的水平剛度遠小于其他各層水平剛度，所以在地震作用激勵下，上部隔震結構近似做水平向運動。為此將上部結構（含隔震層）和隔震層下部分別等效成一個單自由度體系，整體結構可組成雙自由度體系。該模型形式簡單，且突出了結構各部分的主要參數(shù)。計算簡圖如圖1，層間隔震結構計算模型如圖2。

圖1 層間隔震結構計算模型Fig．1 Calculation model of story－isolation structure．

系統(tǒng)平衡方程：

其中：M為體系質(zhì)量矩陣；K為體系剛度矩陣；C為體系阻尼矩陣；E為單位列向量；x為結構相對于地面的位移為結構相對于地面的速度為地面加速度。

圖2 層間隔震結構模型Fig．2 FEA model of story－isolation structure．

2 結構分析模型及參數(shù)

本文模型為8層帶裙房框架結構，采用SAP2000分別建立了鋼筋混凝土框架抗震結構、層間隔震結構以及基礎隔震結構。隔震結構中采用鉛芯橡膠隔震支座。其中，層間隔震結構的隔震支座布置在裙樓頂部和上部塔樓的底部之間。三種結構的柱距均為6m，裙房層高均為4．5m，上部結構層高3m。混凝土強度等級為C30。裙房部分柱截面為0．6m×0．6m，上部結構柱截面為0．5m×0．5 m，框架梁0．45m×0．3m，隔震層部位的梁為0．6 m×0．3m。結構設置其中層間隔震結構模型如圖2。結構參數(shù)如表1所示。其中，基礎隔震結構隔震層剛度為67 880kN·m－1，層間隔震結構隔震層剛度為27 152kN·m－1。

3 結構模態(tài)分析

結構模態(tài)分析可用于確定結構自振特性，從而作為結構動力分析的基礎。通過分析計算，得出了抗震結構、基礎隔震結構以及層間隔震結構相應模態(tài)信息用以比較。

表1 結構參數(shù)Table 1 Parameters of structure

從表2可以看出，將層間隔震結構和基礎隔震結構的第一階自振周期分別為抗震結構第一階自振周期的1．5倍和1．8倍。而無論采用何種隔震措施，其自振周期均顯著延長，這將有利于降低上部結構地震反應。此外，基礎隔震結構比層間隔震結構更能延長結構自振周期。從模態(tài)分析結果可以看出，本文所采用兩種隔震結構的前兩階自振周期非常接近。而由于結構的水平向布置和豎向布置均不規(guī)則，結構的前三階模態(tài)的質(zhì)量參與系數(shù)均不高。

表2 結構各階模態(tài)Table 2 Structural modes in different orders

4 結構時程分析

本文選用臺灣集集地震（ML＝7．3）中采集的距離斷裂帶11．14km處CHY101波以及美國北嶺地震（ML＝6．7）中距離斷裂帶20．8km 比華利山90014臺站采集的近場地震記錄作為結構時程分析的輸入地震。所以用集集波X向和Y向加速度峰值分別為4．3m／s2和3．5m／s2，北嶺波X向和Y向加速度峰值分別為4．2m／s2和3．6m／s2。考慮到本算例中各結構前兩階模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)較大，對結構起控制作用，地震波采用雙向輸入，且X向與Y向加速度峰值按1：0．85的比例進行調(diào)整。

4．1 結構加速度時程分析

圖3在集集波和北嶺波作用下三種不同結構頂層的加速度時程曲線。

圖3 結構頂層加速度時程曲線Fig．3 Acceleration history curves on the top floor．

從圖3可以看出抗震結構在近場地震作用下，其頂點加速度明顯大于基礎隔震結構和層間隔震結構的頂點加速度。由于近場地震的脈沖效應，在集集波的作用下抗震結構X向和Y向的加速度峰值分別為17．319m／s2和7．972m／s2；而層間隔震結構分別為8．831m／s2和4．158m／s2，其相對應的加速度峰值分別為抗震結構的50．99%和52．16%；基礎隔震結構分別為4．712m／s2和3．925m／s2，其相對應的加速度峰值分別為抗震結構的27．21%和49．23%；

在北嶺波的作用下抗震結構X向和Y向的加速度峰值分別為23．867m／s2和12．556m／s2；而層間隔震結構分別為13．604m／s2和9．014m／s2，其相對應的加速度峰值分別為抗震結構的56．99%和71．790%；基礎隔震結構分別為13．924m／s2和6．873m／s2，其相對應的加速度峰值分別為抗震結構的47．45%和54．739%。這表明在近場地震作用下兩種隔震結構的地震響應均有所降低，但由于脈沖效應的影響，隔震結構有較為明顯的鞭梢效應，其峰值加速度略有放大。

圖4 結構層間剪力分布圖Fig．4 Distributio of shear force inter－story of the structures．

4．2 結構層間剪力分析

層間剪力是衡量建筑結構抗震性能的重要指標，隔震建筑各層地震剪力值的大小直接反映了其減震性能的好壞。

從圖4中可以看出，由于裙樓以上結構的剛度和質(zhì)量較下部裙樓結構突然減小，所以抗震結構出現(xiàn)了明顯的鞭梢效應，而且其鞭梢效應隨著地震加速度的增大而增大。隔震結構均能顯著降低結構的層間剪力，但當?shù)孛婕铀俣仍龃髸r隔震層以上結構層間剪力會隨著層高的增加而增大，即存在層間剪力放大的鞭梢效應；而與基礎隔震結構相比，層間隔震結構隔震層以上部分的層間剪力放大的略為明顯，其鞭梢效應也相對較大。

4．3 結構減震率

減震率定義為抗震結構各層層間剪力和隔震結構各層層間剪力之差與抗震結構各層層間剪力的比值。本文定義結構減震率來直觀反映結構減震效果，計算公式如下：

圖5 結構減震率Fig．5 Isolation rate of the structures．

從圖5可以看出，相對于抗震結構，隔震結構的層間剪力均有明顯的減小，其中剛度較小的上部塔樓減震率更為顯著。其中（a）圖和（c）圖中層間隔震結構頂層的減震率相對于基礎隔震結構明顯降低，且層間隔震結構頂層的減震率相對于塔樓底部減震率也略有降低，即隔震結構上部塔樓在脈沖分量的作用下產(chǎn)生了鞭梢放大效應。比較兩種隔震結構的減震率可以看出，基礎隔震結構減震效果比層間隔震結構的減震效果更為明顯。

5 結語

通過對抗震結構、層間隔震結構和基礎隔震結構進行時程分析和比較，得到以下主要結論：

（1）豎向剛度不均勻的帶裙樓隔震結構和抗震結構，其裙樓頂部附近的剪力明顯大于其他各層，在結構設計時應該對該部位予以加強。

（2）在近場地震作用下，各結構頂部的地震反應均被放大，說明較大的脈沖分量是結構在近場地震中破壞的主要因素。

（3）相對于抗震結構較大的地震反應，隔震結構顯著降低了上部結構的鞭梢效應，隔震結構在近場地震作用下仍然有一定的減震效果，說明隔震結構在近場條件下也是可以應用的。

（4）與層間隔震結構相比，基礎隔震結構的減震率相對較大，說明基礎隔震結構有著更好的減震效果。所以沒有特殊要求的條件下，應該優(yōu)先選用基礎隔震結構。

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