軟夾層地基上多層隔震結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

于　旭, 莊海洋, 朱　超, 陳　蘇

(1.南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 南京　211167; 2.南京工業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院, 南京　210009)

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軟夾層地基上多層隔震結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

于旭1,2, 莊海洋2, 朱超2, 陳蘇2

(1.南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 南京211167; 2.南京工業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院, 南京210009)

隔震結(jié)構(gòu)作為有效、經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)可行的結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際工程中隔震結(jié)構(gòu)有可能建于軟弱地基上，而強(qiáng)地震動(dòng)作用下軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)基底地震動(dòng)出現(xiàn)長(zhǎng)周期化的同時(shí)，土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用(Soil-Structure Interaction,SSI)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、地震響應(yīng)等可能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響[1]。因此，基于軟弱地基土-隔震結(jié)構(gòu)相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，深入研究軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力反應(yīng)特征，探討SSI效應(yīng)對(duì)軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)體系的影響機(jī)理及其規(guī)律尤為重要，這對(duì)于完善軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論具有十分重要的意義。

目前，軟弱地基上考慮SSI效應(yīng)隔震結(jié)構(gòu)抗震性能的研究主要以數(shù)值分析為主，并取得了一定的成果[2-5]，但數(shù)值分析方法都進(jìn)行了假設(shè)和簡(jiǎn)化，研究成果缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及模型試驗(yàn)的驗(yàn)證。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼開展了不同場(chǎng)地條件、不同上部結(jié)構(gòu)的隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的開拓性研究，宰金珉和于旭等進(jìn)行了考慮SSI效應(yīng)的鉛芯橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)結(jié)果表明：考慮SSI效應(yīng)時(shí)隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果較剛性地基時(shí)降低。李昌平和劉偉慶等進(jìn)行了軟土地基上高層隔震結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[7]，研究軟土地基上高層隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性和隔震效果，其隔震結(jié)構(gòu)的高寬比為大高寬比(高寬比為4.1)，而現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求隔震結(jié)構(gòu)宜為小高寬比結(jié)構(gòu)(高寬比小于4.0)，因此軟弱地基上小高寬比隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能應(yīng)進(jìn)行專門研究。

在充分吸取現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和理論研究成果對(duì)隔震結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變機(jī)理的認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，從場(chǎng)地條件、模型結(jié)構(gòu)材料、輸入地震動(dòng)特性等方面考慮，同時(shí)考慮《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)隔震結(jié)構(gòu)高寬比的要求，筆者設(shè)計(jì)了軟夾層地基上多層隔震結(jié)構(gòu)大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方案，并與筆者已完成的剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果[8]進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性、地震波傳遞的特性、基礎(chǔ)及隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)及位移反應(yīng)等。

1試驗(yàn)概況

1.1相似比設(shè)計(jì)

在土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中需研究多介質(zhì)耦合作用體系的相似比確定方法，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模紤]土-隔震結(jié)構(gòu)體系主要參數(shù)的相似性，本文選取模型的幾何長(zhǎng)度、彈性模量和加速度為基本物理量，根據(jù)Bukingham定理,導(dǎo)出其他物理量的相似比，試驗(yàn)的相似比設(shè)計(jì)參見文獻(xiàn)[9]。

1.2試驗(yàn)加載方法

試驗(yàn)采用單向激振，選用地震波為 El Centro波、Kobe波、南京人工波3條地震波。試驗(yàn)中輸入地震動(dòng)的時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)時(shí)間相似比1∶4.47進(jìn)行了調(diào)整，試驗(yàn)加載方案及臺(tái)面輸入峰值加速度峰值取值如表 1 所示。

表1　試驗(yàn)加載工況

1.3模型土與模型結(jié)構(gòu)

以實(shí)際房屋為原型，同時(shí)兼顧施工方便，隔震結(jié)構(gòu)模型的上部結(jié)構(gòu)采用4層鋼框架體系，激振方向模型高寬比為2.625，隔震支座采用直徑為100 mm的鉛芯橡膠支座，為模擬樓層荷載，隔震結(jié)構(gòu)每層設(shè)配重箱，鋼框架模型尺寸、樓層配重量及隔震支座基本參數(shù)同剛性地基上鉛芯橡膠支座隔震鋼框架模型，詳見文獻(xiàn)[8]。

模型土采用3層分層土，總厚度130 cm，頂部覆蓋層為含水量為8.2%～9.0%的干砂土，厚度30 cm，密度為1 760 kg/m3，中部土層為含水量27.2%～30.0%的黏土，厚度40 cm，密度為1 933 kg/m3，底部土層為含水量26.2%～27.0%的飽和密實(shí)砂土，厚度60 cm，密度為1 920 kg/m3，分層土形成“軟夾層地基”。模型土的制備主要控制含水率和密實(shí)度，采用水沉法制備模型土，人工分層填裝。試驗(yàn)加載前采用SDMT波速檢測(cè)儀測(cè)定土層平均剪切波速約為35～40 m/ s，模型土滿足模擬軟弱地基的試驗(yàn)要求。模型土箱采用南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所研制的層狀剪切變形土箱[10]，該土箱可有效減小模型土層有限邊界的影響。模型基礎(chǔ)采用2×3群樁基礎(chǔ)，樁承臺(tái)尺寸為1 200 mm×1 000 mm×100 mm，樁截面尺寸為35 mm×35 mm。模型體系如圖1所示，模型體系的試驗(yàn)圖片如圖2所示。

圖1　模型體系布置及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Sketch of model system arrangement and measuring point arrangement

圖2　模型體系試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.2 Photo of test model

1.4測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)量方式

試驗(yàn)中測(cè)試模型結(jié)構(gòu)的加速度及水平位移、隔震支座的壓力及水平力，模型地基土的加速度、模型基礎(chǔ)承臺(tái)豎向加速度分量、水平向加速度分量、樁土界面的接觸壓力及樁身應(yīng)變。傳感器布置如圖1所示，圖中A1～A17為水平加速度計(jì)，V1～V4為豎向加速度計(jì)，S1～S5為位移計(jì)，采用標(biāo)靶測(cè)試法[11]測(cè)試模型結(jié)構(gòu)和模型箱的剪切變形，t1～t3為土壓力計(jì)，E1～E8為應(yīng)變片。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1模型體系的動(dòng)力特性

試驗(yàn)前后，采用幅值為0.05 g的白噪聲掃描，得到模型結(jié)構(gòu)體系的一階自振頻率和阻尼比，如表2所示，表中阻尼比采用改進(jìn)的半功率點(diǎn)法計(jì)算[12]，剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果亦按此方法進(jìn)行修正。與剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和阻尼比相比，軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有較大改變。綜合來(lái)看主要有以下規(guī)律：① SSI效應(yīng)使隔震結(jié)構(gòu)的一階自振頻率較剛性地基時(shí)降低，降幅為9.5%，而隔震結(jié)構(gòu)的阻尼比較剛性地基時(shí)顯著增加，增幅為78.3%。② 試驗(yàn)前后模型結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性參數(shù)并不相同，剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)變化較小，其一階自振頻率基本不變，阻尼比有略微增大。然而，軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的變化較大，其一階自振頻率顯著降低，模型體系的阻尼比也明顯增大。

進(jìn)一步將上述模型動(dòng)力特性的試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[7]相比，可以發(fā)現(xiàn)，由于軟弱地基土剛度和隔震結(jié)構(gòu)高寬比的差異，軟弱地基上SSI效應(yīng)對(duì)大高寬比隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的影響幅度與本文軟夾層地基SSI效應(yīng)對(duì)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的影響幅度并不相同，其中軟弱地基上大高寬比隔震結(jié)構(gòu)的阻尼比較剛性地基時(shí)增加了36%，且試驗(yàn)前后模型動(dòng)力特性參數(shù)變化不明顯。與文獻(xiàn)[7]對(duì)比分析表明：軟弱地基上SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響與地基土剛度和隔震結(jié)構(gòu)高寬比密切相關(guān)。

表2　模型結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和阻尼比

圖3 土中不同測(cè)點(diǎn)處加速度峰值放大系數(shù) Fig.3Amplificationfactorofaccelerationamplitudeatdifferentmeasuringpointonsoillayer圖4 土中不同深度測(cè)點(diǎn)處加速度反應(yīng)譜的比較Fig.4Comparisonofaccelerationresponsespectrumforvariousdepthsofmeasuringpoint

2.2模型地基地震反應(yīng)特征

試驗(yàn)中在軟夾層地基中布置了加速度傳感器，量測(cè)地基不同土層內(nèi)加速度反應(yīng)，圖3為土中不同測(cè)點(diǎn)深度處加速度峰值放大系數(shù)(圖中字母及數(shù)字代表試驗(yàn)工況)。從圖3可以看出，軟夾層地基對(duì)地震動(dòng)的峰值加速度起明顯的削弱作用。對(duì)于底部飽和密實(shí)砂土層，在輸入工況加速度峰值較小時(shí)，土層對(duì)土中加速度反應(yīng)起動(dòng)力放大效應(yīng)，但隨輸入工況加速度峰值增大，土層的動(dòng)力放大效應(yīng)不斷減弱。然而，地基中間軟弱黏土層使土中加速度反應(yīng)峰值降低，對(duì)峰值加速度起減振作用。對(duì)于頂部砂土層，對(duì)峰值加速度又起到放大效應(yīng)，且隨輸入工況加速度峰值的增大，土體的加速度峰值放大系數(shù)減小。上述模型地基地震反應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果與薄景山等人關(guān)于軟夾層場(chǎng)地地震反應(yīng)的研究結(jié)果基本吻合[13]。

圖4(a)為工況JTEL1時(shí)土中不同深度測(cè)點(diǎn)處加速度反應(yīng)譜動(dòng)力系數(shù)β譜的比較，其中A6為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面測(cè)點(diǎn)，A15、A14、A12為土層中在同一垂直線上自下而上不同高度的土中測(cè)點(diǎn)。從加速度反應(yīng)譜可以看出，臺(tái)面A6測(cè)點(diǎn)的地震動(dòng)通過(guò)分層地基土層后，土層中各測(cè)點(diǎn)的反應(yīng)譜(β譜)值隨地基土性的變化而變化，從A6到A15測(cè)點(diǎn)，加速度反應(yīng)譜在0.03 s～0.05 s周期部分反應(yīng)譜值變大，在0.12 s～0.28 s周期部分反應(yīng)譜值顯著減小，從A15到A14測(cè)點(diǎn)，加速度反應(yīng)譜在0.10 s～0.23 s周期部分反應(yīng)譜值明顯變大，在0.03 s～0.06 s周期部分反應(yīng)譜值降低，從A14到A12測(cè)點(diǎn)，加速度反應(yīng)譜在0.03 s～0.05 s周期部分反應(yīng)譜值明顯變大，在0.12 s～0.26 s周期部分反應(yīng)譜值降低。圖4(b)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工況JTEL3中也有類似現(xiàn)象。上述分析表明頂部和底部的砂土層使地震動(dòng)的高頻分量獲得加強(qiáng)，而軟弱黏土層則濾掉了部分高頻分量，使部分低頻分量獲得加強(qiáng)。

2.3隔震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)及隔震效果分析

“樓層加速度峰值放大系數(shù)”是指：樓層峰值加速度與隔震結(jié)構(gòu)基底輸入加速度峰值之比，是反應(yīng)上部結(jié)構(gòu)樓層加速度反應(yīng)峰值放大或縮小程度的一個(gè)系數(shù)。由于地震時(shí)隔震結(jié)構(gòu)的隔震層耗散了大量的地震能量，僅少部分能量傳到上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)基本處于彈性狀態(tài)[1]，為對(duì)比剛性地基與軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)的樓層加速度峰值放大系數(shù)，本文軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)采用插值法計(jì)算得到，使其對(duì)應(yīng)的模型基底加速度峰值(PGA)分別為0.1 g、0.2 g、0.3 g，使隔震結(jié)構(gòu)在軟夾層地基與剛性地基上具有等效的基底加速度峰值[14]，圖5為軟夾層地基與剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度放大系數(shù)的對(duì)比，圖中層號(hào)0代表模型基底。

圖5　軟夾層地基與剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of Amplification factor of floor acceleration amplitude for isolated structure on softer interlayer ground and rigid foundation

由圖5可以看出，由于SSI效應(yīng)的影響軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)樓層峰值加速度放大系數(shù)與剛性地基時(shí)差異較大，具體表現(xiàn)為：Elcentro波激振時(shí)樓層加速度峰值放大系數(shù)較剛性地基時(shí)明顯增大，kobe波激振時(shí)樓層加速度峰值放大系數(shù)在大震(PGA=0.3 g)時(shí)較剛性地基時(shí)增大，而小震(PGA=0.1 g)時(shí)其值小于剛性地基時(shí)的樓層加速度峰值放大系數(shù)；南京人工波激振時(shí)樓層加速度峰值放大系數(shù)較剛性地基時(shí)略有增加。上述分析表明：軟夾層地基上SSI效應(yīng)可增大也可減小隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

進(jìn)一步分析圖5可以看出，剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)隨PGA的增大而減小，即輸入地震動(dòng)峰值越大，隔震效果越好； 而軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果與剛性地基時(shí)差異較大，主要表現(xiàn)為：南京人工波激振時(shí)樓層加速度峰值放大系數(shù)隨PGA的增大而減小，隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果與剛性地基時(shí)相似；而Elcentro波和kobe波激振時(shí)，樓層加速度峰值放大系數(shù)隨PGA的增大而增大，即輸入地震動(dòng)峰值越大，隔震效果越差，表明軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果降低。上述分析表明：軟夾層地基上輸入地震動(dòng)的類型和峰值對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果有較大影響。上述影響規(guī)律與參考文獻(xiàn)[7]中軟土地基上高層隔震結(jié)構(gòu)隔震效果的影響規(guī)律并不相同。

2.4位移反應(yīng)

圖6給出了軟夾層地基和剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移，其中樓層位置0代表隔震層。由圖6可以看出，剛性地基與軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移的分布特性相似，均呈現(xiàn)出底部隔震層層間位移較大，而上部其他層層間位移較小的特點(diǎn)。但由于SSI效應(yīng)的影響，兩種地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移反應(yīng)并不相同，與輸入地震動(dòng)的特性有關(guān)。Elcentro波和kobe波大震(PGA=0.3 g)作用時(shí)軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移反應(yīng)較剛性地基時(shí)明顯增大，其中隔震層位移增幅最為顯著，而南京人工波大震作用時(shí)兩種地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移反應(yīng)相近。Elcentro波和南京人工波小震(PGA=0.1 g)時(shí)軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移反應(yīng)較剛性地基時(shí)小幅增大，而 kobe波小震時(shí)軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移反應(yīng)較剛性地基時(shí)減小。

圖6　軟夾層地基與剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移對(duì)比Fig.6 Comparison of maximal interlayer displacements of isolated structure on softer interlayer ground and rigid foundation

2.5基礎(chǔ)及隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)

(1)

(2)

表3　軟夾層地基上基礎(chǔ)及隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值

由表3可以看出，軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值為0.347～1.129 rad/s-2，由文獻(xiàn)[6]可知，砂土地基上隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值為0.062～0.355 rad/s-2，剛性地基上基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值很小可忽略不計(jì)。表明地基土性越軟，隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)越明顯。

由表3可以看出，隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)有一定的放大效應(yīng)。Elcentro波和kobe波輸入時(shí)隔震層與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值的比值隨PGA的增大而增大，即輸入地震動(dòng)峰值越大，隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)越明顯，其中以Elcentro波輸入時(shí)最為明顯。而南京人工波輸入時(shí)隔震層與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值的比值隨PGA的增大而減小，即輸入地震動(dòng)峰值增大，隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)減弱，在地震動(dòng)輸入加速度峰值0.3g時(shí)甚至出現(xiàn)“減振”現(xiàn)象。上述現(xiàn)象表明不同地震動(dòng)激振下，隔震層的放大效應(yīng)并不相同，與輸入地震動(dòng)的特性相關(guān)。

通過(guò)分析圖7和圖8可知，工況JTEL2和工況JTNJ2輸入的地震動(dòng)峰值相同，但相應(yīng)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度頻譜特性并不相同，工況JTEL2時(shí)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的主頻范圍在9~11.7 Hz，頻譜范圍涉及中低頻段；而工況JTNJ2時(shí)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的主頻范圍兩個(gè)頻段，即：11.2~13.9 Hz和27.9~29.8 Hz，頻譜范圍涉及中高頻段。基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)經(jīng)隔震層傳播后，隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的傅氏譜值有明顯變化，工況JTEL2時(shí)隔震層的傅氏譜在低頻段6.9~7.5 Hz 、1.5~1.8 Hz 范圍內(nèi)譜值明顯增大，其最大增幅達(dá)到60.2%，對(duì)應(yīng)的隔震層與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值的比值為1.52，而工況JTNJ2時(shí)隔震層的傅氏譜在頻段7.0~7.5 Hz 、1.6~1.8 Hz和24.7~26.4 Hz范圍內(nèi)譜值增大，其最大增幅為32.5%，對(duì)應(yīng)的隔震層與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值的比值為1.2。上述分析表明：①隔震層的放大效應(yīng)與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的頻譜特性相關(guān)，隔震層對(duì)以中低頻分量為主的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)放大效應(yīng)明顯，而對(duì)以中高頻分量為主的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)放大效應(yīng)降低。②相對(duì)于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的頻譜組成，隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)頻譜組成的高頻分量減弱，中低頻分量明顯加強(qiáng)，頻譜組成向低頻轉(zhuǎn)變。

與2.3節(jié)分析結(jié)果相吻合的是：Elcentro波和kobe波激振時(shí)隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度的放大效應(yīng)隨PGA的增大而增大；而南京人工波激振時(shí)隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度的放大效應(yīng)隨PGA的增大而減小。綜合以上分析表明：隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)顯著時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)增大，隔震效果降低，而隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)減弱時(shí)，樓層加速度峰值放大系數(shù)與剛性地基時(shí)相似，隔震效果較好。

圖7　基礎(chǔ)與隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度傅氏譜比較(工況JTEL2)Fig.7 Comparison of Fourier spectrum of rotational acceleration of foundation and isolated layer(test condition JTEL2)

圖8　基礎(chǔ)與隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度傅氏譜比較(工況JTNJ2)Fig.8 Comparison of Fourier spectrum of rotational acceleration of foundation and isolated layer(test condition JTNJ2)

3結(jié)論

通過(guò)軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，分析軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，研究軟夾層地基地震反應(yīng)特性、基礎(chǔ)及隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)、上部隔震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)及位移反應(yīng)等，得到的主要結(jié)論有：

(1) 軟夾層地基上SSI效應(yīng)使隔震結(jié)構(gòu)的一階自振頻率較剛性地基時(shí)降低，而阻尼比較剛性地基時(shí)顯著增加，其影響幅度與地基土剛度和隔震結(jié)構(gòu)高寬比密切相關(guān)。

(2) 軟夾層地基對(duì)地震動(dòng)輸入起明顯的削弱作用。

(3) 軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)明顯。隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)具有濾波和一定的放大效應(yīng)，隔震層的放大效應(yīng)與輸入地震動(dòng)的類型及基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的頻譜特性相關(guān)。

(4) 軟夾層地基上SSI效應(yīng)可增大也可減小隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。當(dāng)隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)顯著時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)增大，隔震效果降低，而隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)減弱時(shí)，樓層加速度峰值放大系數(shù)與剛性地基時(shí)相似，隔震效果較好。

參 考 文 獻(xiàn)

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第一作者 于旭 男，博士，副教授，1977年3月生

摘要：基于軟夾層地基和剛性地基上多層隔震結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究軟夾層地基上隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性、地基地震反應(yīng)特性、上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)特征，分析基礎(chǔ)與隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)及其對(duì)隔震效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：軟夾層地基對(duì)地震動(dòng)輸入起明顯的削弱作用；軟夾層地基上SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響較大， SSI效應(yīng)降低了隔震結(jié)構(gòu)體系的一階自振頻率，顯著增大了體系的阻尼比；軟夾層地基上SSI效應(yīng)使隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及隔震層產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)，隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)有一定的放大作用，與輸入地震動(dòng)的特性有關(guān)； 軟夾層地基上SSI效應(yīng)可增大也可能減小隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，隔震效果與隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的強(qiáng)弱密切相關(guān)，隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)顯著時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)增大，隔震效果降低，而隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)減弱時(shí)，樓層加速度峰值放大系數(shù)與剛性地基時(shí)相似，隔震效果較好。

關(guān)鍵詞：隔震結(jié)構(gòu)；振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)；土-結(jié)構(gòu)相互作用；動(dòng)力特性；地震反應(yīng)

Shaking table tests on the modal of a multi-story isolated structure on the ground with softer interlayer

YUXu1,2,ZHUANGHai-yang2,ZHUChao2,CHENSu2(1. Department of Civil Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China;2. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009,China)

Abstract:Based on shaking table tests on the model of a multi-story isolated structure on the ground with softer interlayer, the dynamic characteristics of the structure and the seismic behaviors of the ground were studied. The superstructure acceleration responses and turning effects of foundation and isolation layer were analyzed. The turning effects on the isolation effectiveness were investigated. The test results show that the ground motion is obviously weakened due to softer interlayer, soil-structure interaction (SSI) is of signifigant effect on dynamic characteristics of the isolated structure on softer interlayer ground. Its first order natural frequency is reduced and the damping ratio is increased. The turning effects of foundation and isolation layer can be induced on the softer interlayer ground by SSI. The isolation layer can amplify the rotational acceleration response of foundation, depending on the type of the input earthquake motion. SSI can increase or decrease the seismic response of isolated structure on softer interlayer ground. The isolation effectiveness is closely related to the intensity of turning effects of isolation layer. When the turning effects of isolation layer is enhanced, the amplification factors of floor acceleration amplitudes of the isolated structure are increased, and the isolation effectiveness is reduced. When the turning effects of isolation layer are weakened, the amplification factors of floor acceleration amplitudes of the isolated structure are similar to those in the case of a rigid ground, and the isolation effectiveness is rather good.

Key words:isolated structure; shaking table model test; soil- structure interaction; dynamic characteristics; seismic response

中圖分類號(hào):TU311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.018

通信作者莊海洋 男，博士，教授，1978年2月生

收稿日期：2014-08-14修改稿收到日期：2014-12-18

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(BK2012477);住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部基金資助項(xiàng)目(2013-K3-1)