近斷層水平地震激勵下巨子三維隔震結構振動臺模型試驗

顏學淵 毛會敏 祁皚 徐小勇

摘要： 將三維隔震層從地面標高上移至巨子結構（巨型框架子框架結構體系）的各子結構底部，可以解決高層三維隔震結構搖擺反應明顯的問題，且整體隔震結構不再受高寬比限值的制約。設計加工了一個3層巨型框架結構模型，底層大空間，上部含有2個次框架。在2個次框架底部與主框架樓板相連部位安裝4個三維隔震支座；進行了近斷層及遠場罕遇水平地震激勵下，巨子抗震結構和巨子三維隔震結構的地震模擬振動臺對比試驗和數值分析。結果表明：巨子三維隔震結構將隔震層上移至次框架底部并未延長結構的基本周期。次框架和主框架的動力響應減震效果顯著，近、遠場及場地類型對隔震率沒有明顯影響。由于近斷層地震動的脈沖效應及其長周期成分與結構周期更接近，近斷層激勵下次框架和主框架的動力響應比相同場地的遠場地震動大10%～20%，Ⅲ類場地近斷層地震激勵下的結構響應比Ⅱ類場地大10%～25%。關鍵詞： 三維隔震； 振動臺試驗； 近斷層； 巨子結構； 減震率

中圖分類號： TU352.1文獻標志碼： A文章編號： 10044523（2017）04064608

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.016

引言

地震動具有多維特性，多次地震實測數據表明其豎向加速度分量接近甚至超過水平分量，震害現象亦表明地震動豎向分量對震中區建筑、高聳結構等建筑物和構筑物的破壞起明顯作用。對這些建筑物和構筑物進行三維隔震研究已成為當前的研究熱點[13]。實際結構中，受傾覆制約，隔震結構的高寬比不能太大；顏學淵[45]等通過實驗研究表明，高層結構基底設置三維隔震抗傾覆裝置能夠起到三維隔震和抗傾覆的作用，但是結構會有明顯搖擺反應。若采用巨型框架子結構這種二級結構體系，巨型框架作為主要受力體系，而將三維隔震層從地面標高上移至各子結構的底部，可以解決這個問題，結構的高寬比將不再受隔震支座抗拉能力的限制，也不需設置抗傾覆裝置。在巨子結構體系的子結構底部設置三維隔震支座后，對于整個結構體系而言相當于設置多個多維調諧質量阻尼器；對于子結構本身則可以多維隔震。因此，外部巨型框架和內部子結構的動力響應都能得到控制，而巨型框架本身的剛度大，結構的安全有保障。

近年來，已有一些學者對巨型框架結構的抗震性能及節點進行研究[67]，但振動控制方法應用于巨子結構的相關研究不多，且主要是理論與數值分析[810]，實驗研究很少。巨型框架結構的自振周期較長，且子結構采用了三維隔震技術，近斷層地震動的脈沖效應[1115]對巨型框架及子結構的響應有影響。本文通過振動臺試驗研究巨子三維隔震結構的近斷層地震響應。

1模型參數及試驗準備

試驗在福州大學的地震模擬振動臺系統上進行。根據振動臺的臺面尺寸及載荷等確定結構模型的各物理量相似系數如表1所示。結構模型是一個3層巨型框架，含有3個次框架，從下往上依次為第1，2，3次框架。由于底部大空間的需求，因此在本試驗模型中沒有設置第1次框架。結構模型長、寬、高為1.6 m，1.0 m，3.27 m。結構模型各構件的尺寸如下：巨型柱為140×10角鋼，巨型主梁為12.6槽鋼，巨型次梁為8槽鋼，次框架柱為60×60×2.5方鋼，次框架梁為40×40×1.5方鋼。結構模型自重1.851 t，質量不足部分通過配重滿足：次框架每層配重0.55 t，主框架每層配重0.28 t；總重量為5.991 t。結構模型的實際照片及主、次框架的平、立面圖如圖1所示。在巨子結構的兩個次框架的底部各安裝4個三維隔震支座，即為巨子三維隔震結構。次框架與主框架間設置15 mm寬的隔震縫（原型結構的隔震縫寬為400 mm，按照長度相似比換算，模型結構的隔震縫寬應為13.33 mm，為便于加工組裝，此處取為15 mm）。

根據表1所示剛度和力的相似系數及原型結構隔震層參數計算得到三維隔震支座的力學參數，再進行支座幾何參數設計及加工；而原型結構隔震層

表1結構模型的相似系數

Tab.1Similarity coefficients of the model

物理參數符號計算公式相似系數長度SL—1/30彈性模量SE—1加速度Sa—1質量SmSm=SESL2/Sa1/900速度SvSv=（SLSa）1/2（1/30）1/2位移SuSu=SL1/30應力SσSσ=SE1應變SεSε=11力SFSF=SESL21/900時間StSt=（SL/Sa）1/2（1/30）1/2剛度SKSK=SESL1/30圖1巨子結構模型（單位：mm）

Fig.1The megasub structure model （Unit： mm）

第4期顏學淵，等：近斷層水平地震激勵下巨子三維隔震結構振動臺模型試驗振 動 工 程 學 報第30卷參數經數值分析、設計及驗算得到。三維隔震支座的剖面圖和實物圖如圖2所示，其具體尺寸及力學性能試驗得到的力學參數如表2所示。

圖2三維隔震支座剖面圖及實物圖

Fig.2Pictures of 3D isolation bearing

如圖3所示，在結構的主框架、次框架及臺面布置了加速度和位移傳感器；隔震時，在次框架底部另布置一個位移計測量隔震層變形。此外，在4個主框架柱底部各安裝一個三向力傳感器，以測量主框架柱的受力。

為研究不同場地類型的近斷層地震動和遠場地震激勵下結構的動力響應，選取來自集集地震不同測站的3條記錄作為振動臺試驗時的輸入。由于振

表2三維隔震支座參數

Tab.2Parameters of 3D isolation bearing

參數數值參數數值剪切模量/MPa0.392橡膠總高/mm19.7（16.5）橡膠外徑/mm105鋼板總高/mm2.0×1中孔直徑/mm10水平剛度/（N·mm-1）128（149）總高度/mm42豎向剛度/（kN·mm-1）6.22（9.71）注：括號內數值為第3次框架隔震支座的參數

圖3傳感器布置圖

Fig.3Layout drawing of sensors

動臺不能輸入豎向地震動，因此試驗時，地震動的輸入方向為水平X向，加速度幅值為7度（0.15g）罕遇310 gal。地震記錄的詳細參數如表3所示。

表3試驗用地震記錄

Tab.3Ground motions for the test

測站場地類型斷層距/km分量間隔/sPGA/galPGV/（cm·s-1）PGV/PGAChiChi2NTCU056Ⅱ類近斷層10.48WE0.005153.2342.860.28ChiChi2FTAP042Ⅱ類遠場106.48WE0.00594.9112.340.13ChiChi3NTCU110Ⅲ類近斷層11.58WE0.005187.9648.720.26注：記錄名稱后綴“2，3”表示“Ⅱ，Ⅲ類場地”；“N，F”表示“近斷層、遠場”

先通過白噪聲掃頻試驗獲得兩種結構模型的基本周期為0.463 s和0.467 s，表明與基礎隔震相比較，由于設置隔震層的形式不同，減震機理不同，將隔震層上移至次框架底部并未延長整個結構的基本周期。

2次框架動力響應〖2〗2.1次框架加速度響應次框架作為巨子結構體系的組成部分，是體系中主要的工作和生活空間，次框架的安全性和舒適性是結構振動控制的主要目的。地震動加速度從地面向上傳遞，經主框架放大后傳遞給次框架，次框架設置三維隔震層后，由于隔震層的濾波和消能作用，次框架的地震響應較未隔震時減小。從形式上和機理上，對于次框架本身而言，它是一個基底隔震結構。

7度（0.15g）罕遇地震激勵下巨子抗震結構和巨子三維隔震結構（以下分別簡稱為抗震結構和三維隔震結構）2個次框架每層的加速度響應及隔震率表4所示。限于篇幅，僅畫出抗震結構和三維隔震結構第2次框架頂層的加速度響應時程，如圖4所示。

表4次框架加速度響應及隔震率（單位：m/s2）

Tab.4Acceleration responses and isolation effects of substructures （Unit： m/s2）

地震動

樓層ChiChi2NChiChi2FChiChi3N3層2層1層3層2層1層3層2層1層第3次框架抗震4.283.012.713.862.772.435.234.433.68三維隔震2.231.991.712.011.821.542.622.382.01隔震率47.9%33.89%36.9%47.93%34.3%36.63%49.9%46.28%45.38%第2次框架抗震5.243.902.784.763.222.536.264.543.13三維隔震2.562.061.862.231.961.622.842.542.09隔震率51.15%47.18%33.09%53.15%39.13%35.97%54.63%44.05%33.23%圖4第2次框架頂層加速度響應時程

Fig.4Acceleration time histories of top of the 2nd substructure

后文的減震率或隔震率定義為減/隔震率=Ra-R3DRa×100%式中Ra為抗震結構地震響應；R3D為三維隔震結構地震響應。

從表4和圖4數據可以看出，在近斷層地震動和遠場地震動激勵下，隔震層對2個次框架的加速度響應都具有明顯的隔震效果，隔震率不小于33.09%，最大值達54.63%。由于近斷層地震動的脈沖效應，在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，次框架各層的加速度響應都比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大10%左右，但隔震率較為相近。由于Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動的長周期成分與結構基本周期更接近，使得在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的次框架各層加速度響應明顯比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下來的大，約10%～50%，尤其是抗震結構的第3次框架，增大更明顯；隔震率略有增大，特別是第3次框架的1，2層。第2次框架的各層加速度響應都大于第3次框架，但2個次框架的隔震率除個別樓層外，都較為接近。

2.2次框架頂層位移響應

地震激勵下2個次框架的頂層位移響應峰值及隔震率列于表5。圖5為第2次框架的頂層位移響應時程。

表5次框架頂層位移響應及隔震率（單位：mm）

Tab.5Displacement responses and isolation effects of top of substructures （Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N第3次框架抗震3.813.384.38三維隔震1.671.381.93隔震率56.17%59.17%55.94%第2次框架抗震4.583.944.96三維隔震1.861.561.94隔震率59.39%60.41%60.89%圖5第2次框架頂層位移響應時程

Fig.5Displacement time histories of top of the 2nd substructure

從表5和圖5數據可知，在3條地震動激勵下，隔震層對2個次框架的頂層位移響應都具有顯著的隔震效果，隔震率不小于55.94%，最大值達60.89%。在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，次框架的頂層位移響應比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大15%左右，說明近斷層地震動的脈沖效應加劇了次框架的位移響應；在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的次框架頂層位移響應明顯比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下來的大，且第3次框架增大更明顯，由于Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動的長周期成分與結構基本周期更接近，使得次框架的位移響應增加，但是隔震率沒有受到影響。2個次框架的隔震率沒有明顯差異，但第2次框架的位移響應一般要大于第3次框架，尤其是抗震結構。

2.3隔震層位移響應

罕遇地震下的隔震層位移關系到結構整體安全，位移響應值需小于隔震縫的寬度。地震激勵下2個隔震層的位移響應幅值如表6所示。從表6可知，近斷層地震激勵下的隔震層位移響應比遠場地震大30%左右，且在Ⅲ類場地近斷層地震激勵下的隔震層位移響應比在Ⅱ類場地近斷層地震激勵下大10%左右。隔震層位移最大值為5.58 mm，未達到15 mm的隔震縫寬；試驗中，次框架沒有與主框架發生碰撞，結構安全。

表6次框架隔震層位移響應（單位：mm）

Tab.6Displacement responses of isolation layers

（Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N第3次框架5.233.865.58第2次框架4.643.645.143主框架動力響應〖2〗3.1主框架加速度響應地震激勵下，主框架3個結構層的加速度響應峰值及減震率列于表7。主框架頂層的加速度響應時程如圖6所示。

從表7和圖6數據可知，3條地震動激勵下，隔震次框架對主框架的加速度響應具有明顯的調諧減震效果，減震率不小于28.98%，最大值達34.01%。前述在不同特性地震動激勵下，次框架的響應規律對于主框架的地震響應仍然適用：在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，主框架的加速度響應比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大10%左右；在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的主框架加速度響應比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動大20%左右，但是減震率沒有明顯變化。3個結構層中，中間層的加速度響應較小，頂層的加速度響應減震效果好一些。

表7主框架加速度響應及減震率（單位：m/s2）

Tab.7Acceleration responses and controlled effects of main structure beams （Unit： m/s2）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N頂層抗震6.886.188.01三維隔震4.544.085.41減震率34.01%33.98%32.46%中間層抗震4.324.035.56三維隔震3.012.733.84減震率30.32%32.26%30.94%底層抗震5.284.846.51三維隔震3.753.344.45減震率28.98%30.99%31.64%圖6主框架頂層加速度響應時程

Fig.6Acceleration time histories of top of the main structure

3.2主框架位移響應

地震激勵下，主框架各層的位移響應峰值及調諧減震率列于表8。限于篇幅，同樣僅畫出頂層主框架梁的位移響應時程，如圖7所示。

表8主框架梁位移響應及減震率（單位：mm）

Tab.8Displacement responses and controlled effects of main structure beams （Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N頂層抗震9.838.1212.23三維隔震6.645.898.33減震率32.45%27.46%31.89%中間層抗震6.545.497.53三維隔震4.233.835.01減震率35.32%30.24%33.47%底層抗震4.223.534.77三維隔震2.832.543.34減震率32.94%28.05%29.98%從表8和圖7數據可知，在3條地震動激勵下，隔震次框架對主框架梁位移響應都具有明顯的調諧減震效果，減震率不小于27.46%，最大值達35.32%。與前述主框架的加速度響應規律相似：在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下，主框架的位移響應及調諧減震率都明顯比在Ⅱ類場地遠場ChiChi2F地震動激勵下大，抗震結構響應增大約20%，三維隔震結構響應增大約10%，說明近斷層地震的脈沖效應加劇了主框架的位移響應；在Ⅲ類場地近斷層ChiChi3N地震動激勵下的主框架位移響應明顯比在Ⅱ類場地近斷層ChiChi2N地震動激勵下來的大，約13%～26%，但是減震率沒有明顯影響，3個結構層中，中間層主框架梁位移響應的減震效果更好。

3.3主框架基底剪力

3條不同特性地震動激勵下，主框架柱底部剪力時程如圖8所示，抗震結構響應幅值分別為18.02，15.14，20.26 kN，三維隔震結構響應幅值分別為11.46，10.46，13.14 kN，減震率達36.40%，30.91%，35.14%，減震效果明顯且相差不大。同主框架的加速度和位移響應規律一樣，近斷層地震激勵下的基底剪力響應比遠場地震大10%～20%，且Ⅲ類場地地震動激勵下比Ⅱ類場地地震動大13%左右。

4數值分析

利用ETABS有限元軟件對振動臺試驗模型進圖7主框架頂層位移響應時程

Fig.7Displacement time histories of top of the main structure

圖8巨型框架基底剪力響應時程

Fig.8Base shear time histories of the main structure

表9數值分析用地震記錄

Tab.9Ground motions for the numerical analysis

名稱場地類型測站分量斷層距/km脈沖周期/s間隔/sPGA/（gal）PGV/（cm·s-1）PGV/PGA2N1

2N2

2N3Ⅱ類近斷層TCU049

TCU051

TCU0533.76

7.64

5.9510.22

10.38

13.12273.44

157.46

225.0463.52

53.82

67.290.23

0.34

0.302F1

2F2

2F3Ⅱ類遠場TAP032

TAP051

TAP103WE94.84

103.46

116.02/

/

/0.005

108.26

111.34

120.5818.31

15.32

15.880.17

0.14

0.133N1

3N2

3N3Ⅲ類近斷層CHY101

CHY036

CHY0249.94

16.04

9.765.34

5.13

4.57333.20

267.37

257.1184.46

62.55

66.760.25

0.24

0.26注：記錄名稱中“N，F”表示“近斷層、遠場”，前綴“2，3”表示“Ⅱ，Ⅲ類場地”，后綴“1，2，3”表示數量編號。

行建模：定義了第1節所述的模型構件截面及常用的鋼材材料屬性；采用連接單元Isolator 1模擬支座，兩水平向設置為非線性，豎向為線性，相應參數參考表2進行設置。數值分析得到的抗震結構和三維隔震結構的基本周期為0.492 s和0.529 s，與試驗結果誤差為5.9%和11.7%。為進一步驗證振動臺試驗的分析結論，本節依照振動臺試驗工況；另外選取自集集地震的每個場地3條地震動，地震動參數如表9所示，進行水平地震激勵下的數值分析。

圖9和10分別為9條地震動作用下，結構體系的加速度響應和位移響應；每個圖都包括了主框架和次框架的響應；橫坐標為樓層，其中M表示主框架樓層，S表示次框架樓層。圖例中的un表示抗震結構（即無控結構），con表示三維隔震結構（即有控結構）。從圖中仍可以看到前述振動臺試驗結果分析的結構響應規律：隔震效果和調諧減振效果明顯；同類場地的近斷層地震動作用下的結構響應比遠場來得大；在Ⅲ類場地近斷層地震動作用下的結構響應比Ⅱ類場地大；第2次框架的響應一般大于第3次框架等。

圖9結構體系加速度響應

Fig.9Acceleration responses of the structures

圖10結構體系位移響應

Fig.10Displacement responses of the structures5結論

本文通過振動臺對比試驗研究在次框架底部設置三維隔震之后，巨子結構的近斷層和遠場地震響應，得到以下幾點結論：

（1） 與基礎隔震相比，由于設置隔震層的形式不同，減震機理不同，巨子三維隔震結構將隔震層上移至次框架底部并未延長結構的基本周期。

（2） 由于近斷層地震動的脈沖效應，近斷層地震動激勵下次框架和主框架的動力響應比相同場地的遠場地震動大10%～20%。

（3） 由于近斷層地震動的長周期成分與結構基本周期更接近，在Ⅲ類場地近斷層地震動激勵下的結構動力響應比Ⅱ類場地近斷層地震動大10%～25%。

（4） 三維隔震層對次框架的水平地震響應具有顯著的隔震效果，近、遠場及場地類型對隔震率沒有明顯影響；位次較低的第2次框架的動力響應大于第3次框架；罕遇地震激勵下的隔震層位移幅值小于隔震縫寬，試驗中的主、次框架未碰撞。

（5） 三維隔震次框架對主框架的水平地震響應具有明顯的調諧減震效果，近、遠場及場地類型對其減震率沒有明顯影響。

（6） 由于試驗條件所限，未進行三維地震激勵下的地震模擬振動臺試驗，后續將對其進行相關數值計算。水平地震激勵下的數值分析表明，試驗得到的結構響應規律具有普遍性。

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