不同層隔震結構在近斷層地震作用下動力響應分析

韓　淼, 張文會, 朱愛東, 孫一林, 李進波(北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京　100044)

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不同層隔震結構在近斷層地震作用下動力響應分析

韓淼, 張文會, 朱愛東, 孫一林, 李進波(北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京100044)

摘要：選用天然橡膠支座(LNR)與鉛芯橡膠支座(LRB)作為兩棟8層鋼筋混凝土結構的隔震裝置，對其分別輸入172條近斷層地震波，計算隔震層設置在基礎或以上每一層時隔震結構的動力響應，分析近斷層地震動對不同層隔震結構動力響應的影響。分析結果表明：隔震結構輸入能量小于非隔震結構輸入能量，LRB隔震結構的輸入能量小于LNR隔震結構的輸入能量；隨著隔震層的上移，隔震支座位移減小，頂層最大加速度增大。近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構動力響應參數均存在相關性，但相關程度不同。隔震結構設計要根據建筑結構動力響應的需求，同時考慮隔震層位置與地震動特征參數的影響。

關鍵詞：近斷層地震動；隔震結構；橡膠支座；動力響應

近斷層地震動是較為復雜的一種地面運動，它強烈依賴于斷層的破裂機制，具有顯著的方向性和滑沖效應。近斷層地震動不同于遠場地震動，具體表現在破裂方向性效應引起的速度大脈沖，地表破裂造成的地面永久位移，地震動幅值隨斷層距的增加而不斷衰減的集中性效應，明顯的豎向效應和上下盤效應等，這些特性均有可能增大結構動力響應并加重地震災害[1-3]。

隔震技術是一種新型抗震措施，主要是通過隔震裝置將建筑結構與地面運動隔離開，減少地震能量向結構上部的傳遞，進而減小建筑物的地震響應，實現地震時建筑物只發生輕微的振動或變形，從而使建筑物在地震作用下不發生損壞或倒塌，其減震效果明顯，性價比高且設計靈活[3-4]。隔震技術在國外發展較快，美國、日本、新西蘭等多地震國家對隔震技術投入大量資源，取得了豐碩成果；隔震技術在我國也取得一定進展，特別是2008年汶川地震發生后，隔震技術引起社會的廣泛關注，2013年在蘆山地震中采用橡膠支座隔震技術的蘆山人民醫院保持完好，使得隔震研究與應用再次成為關注熱點。

在隔震結構中，疊層橡膠支座是應用最多的隔震支座，按構造不同可分為：天然橡膠支座(LNR)、鉛芯橡膠支座(LRB)和高阻尼橡膠支座(HDR)。隨著人們對近斷層地震動研究的深入，發現隔震結構遭遇近斷層地震動具有不同于遠場地震作用下的動力響應，而不同隔震支座在近斷層地震作用下的隔震性能亦不同。Yang等[5]對安裝兩種新型半主動控制裝置的隔震結構在近斷層地震動作用下的動力響應進行了分析，發現這兩種裝置對結構具有很好的隔震效果。Mazza等[6]對HDR隔震結構輸入近斷層地震記錄，研究其在水平地震和豎向地震作用下的隔震效果。分析表明水平向脈沖地震要求結構具有很大的延性，尤其當低層建筑的剪切應變達到最大時，隔震裝置可能發生破壞。

隔震裝置及隔震層位置的不同，將會使隔震結構在近斷層地震動作用下的動力響應不同。為研究不同隔震結構在近斷層地震動作用下的影響，本文選用天然橡膠支座(LNR)與鉛芯橡膠支座(LRB)作為隔震裝置,對兩棟8層鋼筋混凝土框架結構輸入172條近斷層地震波，分別計算隔震裝置設置在基礎或以上每一層柱頂時隔震結構的動力響應,分析不同層隔震結構在近斷層地震作用下的動力響應，為結構設計優選隔震參數與輸入地震動提供參考。

1近斷層地震動選取

根據近斷層地震定義，本文選取斷層距小于20 km，震級大于5.5級，峰值加速度大于0.1 g的全球20次地震中的172條地震記錄(見表1)作為近斷層地震動輸入，選取的地震記錄來自美國太平洋地震工程研究中心數據庫。

2有限元模型建立

采用SAP2000有限元軟件建立兩棟8層鋼筋混凝土框架結構分析模型(記為模型1，模型2)，平面尺寸為27.6 m14.7 m，總高27.3 m，主梁截面尺寸300 mm600 mm，次梁截面尺寸200 mm450 mm，柱截面尺寸700 mm700 mm。結構布置見圖1，重力荷載代表值見表2?；炷敛捎肅30，梁柱鋼筋均采用HRB400。根據規范要求及支座選取原則，模型1的隔震裝置選用天然橡膠隔震支座(LNR500)20個,模型2的隔震裝置選用鉛芯橡膠隔震支座(LRB500)20個，隔震支座安裝在圖1中的柱位置處，隔震支座參數見表3。分別將不同隔震支座設置在基礎或上部結構每一層柱頂(見圖2)，隔震層高為300 mm。結構模型分析得非隔震結構自振周期T1=1.097 s，T2=1.010 s，T3=0.901 s。LNR500隔震結構和LRB500隔震結構的自振周期見表4。由表4可知，天然橡膠支座隔震結構基本自振周期大于鉛芯橡膠支座隔震結構基本自振周期；隨著隔震層位置的上移，隔震結構自振周期減小，但均大于非隔震結構自振周期。模態分析表明第一振型為沿結構X方向,則地震動的輸入方向取為X方向，即結構的長邊方向。

表1　選用的近斷層地震記錄

圖1　結構平面圖和3-D模型圖(單位：mm)Fig.1 Plan and3-D model of structure(unit：mm)

圖2　不同層隔震結構(Y-Z立面圖)(部分)Fig.2 The parts ofdifferent story isolation structure(Y-Z elevation view of structure)

Tab.2 The gravity load representative value of each floor

表3　隔震支座參數

表4　隔震結構的基本自振周期(s)

3近斷層地震動特征參數與結構動力響應參數分析

選取近斷層地震動的8個主要特征參數：斷層距、地面峰值加速度(PGA)、地面峰值速度(PGV)、地面峰值位移(PGD)、地面峰值速度與峰值加速度的比值(PGV/PGA)、地震持時(90%顯著持時)、脈沖周期與結構自振周期的比值(TP/T1)、輸入能,分析其對結構動力響應的影響。

3.1地震動輸入能分析

影響地震動輸入能量的主要因素為地震動特征和結構動力特征，其中地震動特征包括地震強度、頻譜和持時等，而結構動力特征有質量、剛度、阻尼等[7]?；谀芰糠ǖ幕驹恚降卣鹱饔迷谌我粫r刻的能量平衡方程[8]為：

Ei=Ev+Ec+Ed+Eh

(1)

式中，Ev為結構的動能；Ec為結構的阻尼耗能；Ed為隔震支座耗能；Eh為隔震結構的變形能；Ei為地震對結構的輸入能。

通過對非隔震結構、不同層隔震結構輸入172條近斷層地震動，計算得到地震動的平均輸入能量見圖3。由圖3可以看到：

(1) 隔震結構比非隔震結構輸入能量減少。三層隔震時隔震結構輸入能量減少比例最大，LNR500隔震結構減少37.2%，LRB500隔震結構減少41.0%。

(2) LNR500隔震結構的輸入能量大于LRB500隔震結構的輸入能量。

(3) 隔震層由基礎上移到第三層，輸入能量減少；再由第四層上移到第七層，輸入能量增大。隔震層位于結構中下部的隔震效果優于結構上部。

圖3　不同層隔震結構的輸入能量對比Fig.3 The comparison of the input energy of different story isolation structure

3.2結構動力響應分析

對結構進行動力彈塑性分析，可得到不同層隔震結構在172條近斷層地震動作用下的動力響應，選取兩個結構動力響應參數(支座最大位移、頂層最大加速度)，并將其平均值繪于圖4，圖4中橫軸為隔震層位置。由圖4可以看到：

(1) 隨著隔震層位置升高，隔震支座最大位移減??；當隔震層設置在七層柱頂時，由于鞭梢效應，支座最大位移偏大。LRB500隔震結構的支座最大位移小于LNR500隔震結構的支座最大位移。

(2) 隨著隔震層位置升高，隔震結構頂層最大加速度增大；LRB500隔震結構與LNR500隔震結構的頂層最大加速度相差不大。當隔震層設置在結構三層及以下部位時，LRB500隔震結構的頂層最大加速度稍大于LNR500隔震結構的頂層最大加速度；當隔震層設置在結構三層以上部位時，LRB500隔震結構的頂層最大加速度略小于LNR500隔震結構的頂層最大加速度。

圖4　不同隔震結構的動力響應Fig.4 The dynamic response of different isolation structure

3.3近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構動力響應參數相關性分析

不同的地震動輸入得到的結構動力響應不同，為比選出與不同隔震結構動力響應相關性強的地震動特征參數，對近斷層地震動的8個特征參數與不同隔震結構的2個結構動力響應參數進行相關性分析。

利用SPSS統計分析軟件計算變量間的相關系數，通過Spearman等級相關系數求解，可得8個近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構的2個動力響應參數之間的相關系數。相關系數取絕對值，當相關系數為0時，表示完全不相關；當相關系數在(0,0.3]內時，表示微弱相關；當相關系數在(0.3,0.5]內時，表示低度相關；當相關系數在(0.5,0.8]內時，表示顯著相關；當相關系數在(0.8,1)內時，表示高度相關；當相關系數等于1時，表示完全相關[9]。

表5給出了近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構動力響應參數的相關系數絕對值的范圍，圖5為近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構動力響應參數相關系數絕對值的變化趨勢，從表5和圖5中可以得到，近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構動力響應參數均存在相關性，但相關程度不同。具體情況分析如下：

(1) 輸入能、PGV與不同層隔震結構的支座最大位移、頂層最大加速度的相關性較強，為顯著相關到高度相關。

(2) PGA與隔震結構支座最大位移的相關程度隨隔震層位置升高由微弱相關變為顯著相關；與LNR500隔震結構的頂層最大加速度因隔震層位置不同為低度相關到顯著相關，與LRB500隔震結構的頂層最大加速度為顯著相關。這可能是因為LRB500隔震結構中鉛芯阻尼的影響。

表5　近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構動力響應參數的相關系數絕對值

圖5　近斷層地震動特征參數與不同隔震結構動力響應參數的相關性對比Fig.5 Comparison of the correlation coefficient between characteristics of near-fault ground motion parameters and seismic responses of the different isolation structure

(3) 斷層距與LNR500隔震結構的支座最大位移、頂層最大加速度的相關程度為低度相關到顯著相關，與LRB500隔震結構的相關程度為顯著相關。

(4)TP/T1>1時，TP/T1與隔震結構的支座最大位移、頂層最大加速度的相關程度為低度相關到顯著相關；TP/T1<1時，TP/T1與隔震結構的支座最大位移、頂層最大加速度的相關程度為低度相關。

(5) PGD對隔震結構支座位移影響最大，隨隔震層位置升高，與LNR500隔震結構支座最大位移相關程度由高度相關變為低度相關，與LRB500隔震結構支座最大位移相關程度由顯著相關變為低度相關；PGD與LNR500隔震結構頂層最大加速度相關程度為微弱相關到顯著相關，與LRB500隔震結構頂層最大加速度相關程度為低度相關。

(6) PGV/PGA與隔震結構支座最大位移相關程度隨隔震層位置升高由顯著相關變為微弱相關；與LNR500隔震結構頂層最大加速度相關性為微弱相關到顯著相關，與LRB500隔震結構相關程度為微弱相關。

(7) 地震持時與隔震結構支座最大位移、頂層最大加速度的相關程度為微弱相關。

從圖5中可看到，對兩種隔震支座的中下部隔震結構，PGD、PGV/PGA與隔震支座最大位移的相關性高于PGA。對于LRB500隔震結構，PGA與頂層最大加速度的相關性高于PGD、PGV/PGA。

4結論

對采用兩種隔震支座的不同層隔震結構，分析其在近斷層地震動作用下的動力響應，得到以下結論：

(1) 隔震結構輸入能量小于非隔震結構輸入能量，鉛芯橡膠支座隔震結構輸入能量小于天然橡膠支座隔震結構的輸入能量。

(2) 隔震層設置在結構中下部位的減震效果優于設置在結構中上部位。

(3) 隨著隔震層位置升高，隔震支座最大位移減小，結構頂層最大加速度增大。

(4) 近斷層地震動特征參數與不同層隔震結構動力響應參數均存在相關性，但相關程度不同。其中，輸入能、PGV與不同層隔震結構動力響應參數相關性顯著，地震持時與不同層隔震結構動力響應參數相關性微弱。

(5) 隔震層位置和隔震裝置不同，近斷層地震動特征參數與結構動力響應參數的相關性程度亦不同。隔震結構設計要根據建筑結構動力響應的需求，同時考慮隔震參數與地震動特征參數的影響。

參 考 文 獻

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Dynamic response analysis for multi-story structures with different isolation stories under near-fault ground motions

HANMiao,ZHANGWen-hui,ZHUAi-dong,SUNYi-lin,LIJin-bo(School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

Abstract:The dynamic responses of two 8-story RC frame structures with isolators under near-fault ground motions were studied when the isolation layer was set on the base or each story. The natural rubber bearings (NRB) or lead-rubber bearings (LRB) were taken as isolators. 172 near-fault seismic wave records were input in structures, respectively. The effects of near-fault ground motions on multi-story structures with different isolation stories were analyzed. The results showed that the input energy of an isolation structure is less than that of a non-isolation structure; the input energy of a LRB isolation structure is less than that of a NRB isolation structure; the displacement of isolation bearing decreases and the maximum acceleration of the top-story increases with lifting the isolation layer; the characteristic parameters of near-fault ground motions are all correlated with the dynamic response parameters of isolation structures, but the levels of correlation are different; the isolated structures need to be designed in terms of the requirements for structure dynamic responses, meanwhile the position of isolation layer and the influence of seismic characteristic parameters should be considered.

Key words:near-fault ground motion; isolation structure; rubber bearing; dynamic response

中圖分類號:Tu352.1+2

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.019

收稿日期：2014-12-30修改稿收到日期：2015-03-17

基金項目：國家自然科學基金面上項目(51378047)

第一作者 韓淼 男，博士，教授，1969年生