遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下大底盤(pán)單塔樓隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

顏桂云， 方藝文， 吳應(yīng)雄， 肖曉菲

(1. 福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院 福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350118；2. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350116)

大底盤(pán)上塔樓建筑由于塔樓較底盤(pán)體型縮進(jìn)，屬于豎向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在地震動(dòng)作用下因其剛度突變引起塔樓底部樓層震害嚴(yán)重。目前，針對(duì)采用隔震技術(shù)改善大底盤(pán)上塔樓結(jié)構(gòu)因其剛度突變引起復(fù)雜受力狀況的研究和工程應(yīng)用已相繼展開(kāi)，譚平等[1]研究了大底盤(pán)單塔樓隔震結(jié)構(gòu)新型隔震體系與隔震減震策略，表明層間隔震能夠顯著減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)減震率較小。杜永峰等[2]研究了多維地震下大底盤(pán)多塔樓隔震結(jié)構(gòu)平扭耦聯(lián)響應(yīng)，表明采用隔震技術(shù)可以顯著地降低地震的破壞作用并且減小塑性鉸的數(shù)量和變形。趙桂峰等[3]對(duì)大底盤(pán)多裙房基礎(chǔ)隔震高層建筑的主塔與裙樓層質(zhì)量、層剛度及隔震層剛度等不同參數(shù)變化對(duì)整體隔震效果影響規(guī)律進(jìn)行研究。鄧烜等[4]通過(guò)對(duì)一幢采用基礎(chǔ)隔震的大底盤(pán)多塔結(jié)構(gòu)工程實(shí)例的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，表明大底盤(pán)多塔隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)各塔樓的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)選擇最優(yōu)隔震層屈服力。Dang等[5]針對(duì)不對(duì)稱的大底盤(pán)多塔樓隔震體系，探討了塔樓質(zhì)量偏心率和質(zhì)量比對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。Zhao等[6]對(duì)大底盤(pán)多塔隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，表明上部結(jié)構(gòu)的位移集中在隔震層上，且樓層的層間位移與加速度響應(yīng)顯著降低。上述研究集中于普通地震動(dòng)作用下大底盤(pán)上塔樓隔震結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，缺乏相應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的驗(yàn)證，且未考慮塔樓體型縮進(jìn)比例這一因素。

遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)不僅具有長(zhǎng)持時(shí)、低頻成份豐富等特點(diǎn)，且地震動(dòng)后期振動(dòng)階段具有明顯的多個(gè)循環(huán)脈沖特性，類似諧和振動(dòng)[7-8]。遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)中的長(zhǎng)周期成份對(duì)長(zhǎng)周期隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，易造成隔震支座變形過(guò)大而破壞或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大損傷。因此，有必要通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究與驗(yàn)證大底盤(pán)上塔樓隔震結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下的響應(yīng)規(guī)律，為其在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧地震動(dòng)下的設(shè)計(jì)提供參考。

為此，本文制作與安裝一個(gè)5層縮尺比例為1∶7的大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)將隔震層設(shè)于大底盤(pán)底部和塔樓底部，形成基礎(chǔ)隔震和層間隔震模型，并進(jìn)行普通地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究其動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，分析塔樓體型縮進(jìn)尺寸比例大小對(duì)于大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性的影響。

1 遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征

本文根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]判別遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震，從美國(guó)太平洋地震工程研究中心強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)中分別選取集集地震(1999)的遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和與遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期非類諧和記錄各4條，如表1所示。同時(shí)選取3條普通遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)記錄ELcentro、Taft、TCU071與1條人工波Rgbtongan。將各地震加速度峰值調(diào)為200 gal，分別獲得到地震動(dòng)的加速度時(shí)程與加速度、速度、位移平均反應(yīng)譜曲線，如圖1、圖2所示。

圖1為遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)的加速度時(shí)程曲線。表明，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)CHY093、ILA004與ILA056不僅具有長(zhǎng)周期、持時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，并且這3條地震動(dòng)振動(dòng)后期階段具有很明顯的類簡(jiǎn)諧特性，其中CHY093中的諧波時(shí)程加速度峰值與普通時(shí)程加速度峰值比相對(duì)較小，約為0.225，ILA004與ILA056中的諧波時(shí)程加速度峰值與普通時(shí)程加速度峰值比相對(duì)較大，分別為0.575與0.730。

表1 選用地震動(dòng)信息

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)加速度時(shí)程Fig.1 Acceleration time histories of far-field harmonic-alike ground motions

圖2為地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)平均反應(yīng)譜曲線。由圖2(a)表明，普通地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜峰值出現(xiàn)在周期為0.3～0.4 s，當(dāng)周期在0.7 s左右反應(yīng)譜快速下降；結(jié)構(gòu)周期大于1.0 s后，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜明顯大于普通地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜，尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)在4～6 s還出現(xiàn)了雙峰的現(xiàn)象。由圖2(b)表明當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期大于 0.3 s時(shí)，兩類長(zhǎng)周期地震動(dòng)的速度反應(yīng)譜值均大于普通地震動(dòng)；隨著結(jié)構(gòu)自振周期的增大，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)的速度反應(yīng)譜值增長(zhǎng)最快，速度反應(yīng)譜峰值出現(xiàn)在5～6 s，最終趨于平穩(wěn)。由圖2(c)可知，在整個(gè)周期段內(nèi)，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)的位移反應(yīng)譜值明顯大于普通地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期非類諧和地震動(dòng)位移反應(yīng)譜值，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)的反應(yīng)譜值在5.2 s之前增長(zhǎng)較快，之后快速下降并趨于平緩。上述結(jié)果表明，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期類諧和地震動(dòng)對(duì)于周期較長(zhǎng)的隔震結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生更為不利的影響。

圖2 地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)平均反應(yīng)譜Fig.2 Response spectrum of structures under ground motions

2 試驗(yàn)概況

2.1 原型結(jié)構(gòu)概況

原結(jié)構(gòu)為一個(gè)擬建典型大底盤(pán)單塔樓鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，建筑總高度為31 m，其中上部塔樓6層，層高3.5 m，橫向1跨，縱向1跨，柱網(wǎng)7 m×7 m；下部底盤(pán)2層，層高5 m，橫向3跨，縱向1跨，柱網(wǎng)7 m×7 m。框架柱尺寸500 mm×500 mm～700 mm×700 mm，框架梁尺寸300 mm×700 mm～300 mm×800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30～C35，樓板厚度110 mm。塔樓較底盤(pán)水平向縮進(jìn)尺寸比例為1∶3，符合大底盤(pán)上塔樓結(jié)構(gòu)的受力特征。

2.2 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和縮尺，采用單向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究長(zhǎng)向(X向)的地震響應(yīng)和動(dòng)力特性。為簡(jiǎn)化模型，將上部塔樓6層簡(jiǎn)化成3層，根據(jù)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸及最大有效載荷，將試驗(yàn)長(zhǎng)度相似常數(shù)確定為1/7，表2為模型與原型結(jié)構(gòu)相似關(guān)系。綜合考慮剛度、質(zhì)量等因素，最終簡(jiǎn)化為5層鋼框架結(jié)構(gòu)模型，模型總高度4.82 m，其中底盤(pán)2層，塔樓3層。底盤(pán)長(zhǎng)向(X向)為三跨，每跨長(zhǎng)度均為1 m，短向(Y向)為單跨，長(zhǎng)度為1 m，層高0.714 m；塔樓兩方向均為單跨，長(zhǎng)度為1 m，層高1 m，最大高寬比為3，接近常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)高寬比的比值，圖3為模型結(jié)構(gòu)平面示意圖。根據(jù)截面剛度等效原則，將模型結(jié)構(gòu)梁、柱采用角鋼，Q235B鋼材，柱子型號(hào)GB-L100×8；梁型號(hào)GB-L80×5。模型下部底盤(pán)每層澆筑200 mm厚混凝土板為配重，上部塔樓頂層澆筑200 mm厚混凝土板為配重，其余各層澆筑300 mm厚混凝土板為配重并加配重塊180 kg，結(jié)構(gòu)框架自重1 350 kg，整個(gè)結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量約為8 850 kg。模型結(jié)構(gòu)的底盤(pán)與塔樓均可重復(fù)利用，分別將隔震支座置于底盤(pán)底部以及塔樓底部可得到基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)、層間隔震結(jié)構(gòu)，去除隔震支座并固接即成為抗震結(jié)構(gòu)，安裝后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型平面圖Fig.3 Structure model plan

長(zhǎng)度彈性模量剛度加速度時(shí)間位移質(zhì)量1/71/11/72/10.2671/71/98

隔震支座采用普通疊層橡膠支座，考慮橡膠支座力學(xué)性能的穩(wěn)定性和模型結(jié)構(gòu)的總重量以及設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，選用直徑D=100 mm的支座(LNR100)，其基本參數(shù)見(jiàn)表3。基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)采用8個(gè)隔震支座LNR100(a)，分別位于框架結(jié)構(gòu)底盤(pán)柱底；層間隔震結(jié)構(gòu)隔震層采用4個(gè)隔震支座LNR100(b),分別位于框架塔樓柱底。組裝后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w結(jié)構(gòu)，如圖5所示。抗震、層間隔震與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)基本周期分別為0.15 s，0.52 s與0.57 s。

圖4 三種結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Three kinds of structure model

圖5 組裝后結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Assembled structure model

支座尺寸有效直徑/mm總高/cm橡膠層厚度/cm橡膠總厚度/cm豎向剛度/(kN·m-1)水平等效剛度/(kN·m-1)LNR100(a)10042218199 800170LNR100(b)10051.12.123.115 700130

2.3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔繉?含振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面共8層)水平對(duì)稱布置2個(gè)X向加速度傳感器，共采用16個(gè)DH610型磁電式振動(dòng)加速度傳感器，同時(shí)每層布置 1個(gè)NS-WY06型拉線位移傳感器。試驗(yàn)采用JM5958振動(dòng)臺(tái)多功能測(cè)試系統(tǒng)，用于記錄層間位移、隔震層位移以及絕對(duì)加速度。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱共有64個(gè)通道，本次試驗(yàn)共計(jì)使用24個(gè)通道，包括16個(gè)加速度傳感器通道和8個(gè)位移傳感器通道。

選用EL-Centro波、Taft波、人工波Rgbtongan波(廈門同安波)為普通地震動(dòng)，以及CHY093波、ILA004波、ILA056波為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)，將地震動(dòng)時(shí)間按0.267的比例系數(shù)進(jìn)行壓縮，并調(diào)整加速度峰值為0.2 m/s2輸入，進(jìn)行單向(X向)輸入振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在福州大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)于2016年8月完成。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 層間隔震模型地震響應(yīng)分析

圖6為抗震與層間隔震試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶娱g位移響應(yīng)。由圖表明，普通地震動(dòng)Elcentro、Rgbtongan與Taft作用下層間隔震結(jié)構(gòu)取得了良好的減震效果，隔震與抗震模型的隔震層上部結(jié)構(gòu)最大層間位移比分別為0.281，0.286，0.265，下部結(jié)構(gòu)的層間位移減小30%以上；遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)CHY093，ILA004，ILA056作用下層間隔震結(jié)構(gòu)也取得了較好的隔震效果，隔震與抗震結(jié)構(gòu)模型隔震層上部結(jié)構(gòu)最大層間位移比分別為0.463，0.607，0.557，下部結(jié)構(gòu)的最大層間位移也取得了一定的減震效果。還表明，層間隔震模型塔樓的層間位移較抗震模型均有大幅度減少，各層層間位移變化均勻，整體近乎平動(dòng)，抗震模型最大層間位移發(fā)生在第3層，即豎向剛度突變處。由于長(zhǎng)周期成份與類諧和成份的影響，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下抗震與層間隔震模型的層間位移反應(yīng)增大為普通地震動(dòng)下的2～3倍。

表4為不同類型地震動(dòng)下隔震模型層間位移減震率。表明，普通地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下層間隔震模型的層間位移反應(yīng)較抗震模型均顯著減小，平均減震率分別處于32.28%～79.59%和30.47%～58.00%，但遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震的減震效果明顯劣于普通地震下的減震效果。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头逯祵娱g位移Fig.6 Peak interstory drift of test model

圖7為抗震與層間隔震試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆逯导铀俣确磻?yīng)。由圖7可知，在普通地震與遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震下隔震層上部塔樓結(jié)構(gòu)均取得了較好的隔震效果，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下抗震結(jié)構(gòu)的樓層峰值加速度約為普通地震動(dòng)下的峰值加速度的2倍。層間隔震模型塔樓峰值加速度響應(yīng)連線近似為1條直線，各層加速度變化很小，整體近似平動(dòng)，隔震層下部大底盤(pán)結(jié)構(gòu)峰值加速度響應(yīng)則隨樓層的增加而增大。還表明，由于層間隔震模型的底盤(pán)為抗震結(jié)構(gòu)，普通地震動(dòng)作用下其峰值加速度反應(yīng)較抗震結(jié)構(gòu)有所增大，這與有關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論基本一致[11]；而遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下峰值加速度反應(yīng)相比抗震結(jié)構(gòu)略有減小。

圖7 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头逯导铀俣菷ig.7 Peak acceleration of test model

表5為層間隔震結(jié)構(gòu)模型的樓層峰值加速度減震率。由表可得，普通地震下的隔震層下部大底盤(pán)加速度平均值放大40%～70%，上部結(jié)構(gòu)加速度平均減震率在75%以上。遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下隔震層下部大底盤(pán)結(jié)構(gòu)加速度減震效果不明顯，平均減震率為10%～20%；隔震層上部結(jié)構(gòu)加速度減震率平均值處于67.11%～83.55%。由此表明，由于長(zhǎng)周期成份與類諧和成份的影響，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下隔震層上部結(jié)構(gòu)加速度減震效果差于普通地震動(dòng)，而隔震層下部大底盤(pán)結(jié)構(gòu)取得了一定的減震效果。

表6為不同類型地震動(dòng)作用下隔震層的最大變形值。由表6可知，普通地震作用下隔震層的最大變形均小于7cm，而遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震作用下隔震層的變形明顯增大，相比普通地震平均增大了2.76倍，其中諧波成份加速度峰值比較大的ILA004、ILA056隔震層位移達(dá)到普通地震動(dòng)的3.2倍與3.4倍。表明，由于遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的長(zhǎng)周期特性與明顯的諧波成份的影響，層間隔震結(jié)構(gòu)隔震層將產(chǎn)生大的變形，易導(dǎo)致隔震支座破壞而致使上部結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)。

表4 層間隔震模型層間位移減震率

表5 層間隔震模型加速度減震率

表6 不同類型地震動(dòng)作用下隔震層最大變形

3.2 基礎(chǔ)隔震模型地震響應(yīng)分析

圖8為抗震與基礎(chǔ)隔震模型相對(duì)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面各樓層的峰值位移，圖中基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)底部的初始位移即為隔震層的位移。由圖8可知，普通地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)各樓層與隔震層的相對(duì)位移均比抗震結(jié)構(gòu)顯著減少，且隔震結(jié)構(gòu)各樓層與隔震層的相對(duì)位移變化均勻，整體近乎平動(dòng)。由于長(zhǎng)周期成份與類諧和成份的影響，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下隔震層位移相對(duì)于普通地震動(dòng)放大2～4倍，因此，按普通地震動(dòng)設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)，一旦遭遇遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)，易激發(fā)隔震層的變形過(guò)大，導(dǎo)致隔震支座破壞而使隔震層上部結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬?duì)臺(tái)面位移響應(yīng)Fig.8 Peak displacement relative to table of test model

表7為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)模型的層間位移減震率。由表可得，普通地震動(dòng)作用下塔樓各樓層的層間位移平均減震率在66.62%～74.36%，大底盤(pán)層間位移減震效果劣于塔樓各層減震效果。遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下塔樓各樓層的層間位移平均減震率在46.69%～54.38%，大底盤(pán)層間位移減震效果也劣于塔樓各層減震效果。還表明，由于長(zhǎng)周期成份與類諧和成份的影響，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧地震動(dòng)的層間位移減震效果劣于普通地震動(dòng)下的減震效果。

表7 基礎(chǔ)隔震模型層間位移減震率

需特別指出，普通地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下大底盤(pán)頂層的層間位移基本不具減震效果，甚至在ILA004與ILA056的長(zhǎng)周期與類諧和成份作用下層間位移相比抗震結(jié)構(gòu)有所放大，主要原因是由于底盤(pán)與塔樓之間的剛度突變引起樓層反應(yīng)的放大。

圖9為抗震與基礎(chǔ)隔震模型各樓層的峰值加速度響應(yīng)，表8為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)模型各樓層的峰值加速度減震率。由圖9(a)、表8可知，在普通地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)隔震模型各樓層加速度反應(yīng)較抗震模型均顯著減小，平均減震率分別處于67.71%～79.15%，且隨樓層增加減震率逐漸增大；各樓層加速度響應(yīng)連線近似為1條直線，加速度變化很小，整體近似平動(dòng)。由圖9(b)、表8可知，在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下，塔樓各樓層峰值加速度反應(yīng)較抗震模型均顯著減小，平均減震率分別處于41.15%～66.42%，且隨樓層增加減震率逐漸增大；由于長(zhǎng)周期成份與類諧和成份的影響，大底盤(pán)結(jié)構(gòu)減震效果不明顯，甚至在諧波成份加速度峰值比較大的ILA004、ILA056作用下，大底盤(pán)底層結(jié)構(gòu)峰值加速度較抗震模型反而放大；此外，各樓層加速度響應(yīng)連線近似為1條直線，加速度變化比普通地震動(dòng)下的變化略大，但整體仍近似平動(dòng)。綜上表明，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)減震效果劣于普通地震動(dòng)，且下部底盤(pán)結(jié)構(gòu)甚至出現(xiàn)了加速度放大現(xiàn)象，因此，大底盤(pán)塔樓隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮長(zhǎng)周期成份與類諧和成份對(duì)其抗震性能的不利影響。

表8 基礎(chǔ)隔震模型加速度減震率

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头逯导铀俣菷ig.9 Peak acceleration of test model

表9為隔震層最大變形值，表中遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的隔震層變形平均值為普通地震動(dòng)的3.3倍，其中ILA004與ILA056諧波時(shí)程加速度峰值與普通時(shí)程加速度峰值比相對(duì)較大，隔震層位最大變形值達(dá)到普通地震動(dòng)下平均值的4倍。表明，由于遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的長(zhǎng)周期與諧波成份導(dǎo)致隔震層發(fā)生較大變形，且諧波成份加速度峰值與普通成份加速度峰值比值越大，則對(duì)隔震層越不利。

表9 不同類型地震動(dòng)作用下隔震層最大變形值

4 試驗(yàn)與有限元結(jié)果對(duì)比分析

利用Midas有限元軟件建立上述大底盤(pán)單塔樓三維結(jié)構(gòu)模型的抗震、層間隔震與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)模型，如圖10所示。模型中梁、柱均采用空間桿系單元模擬，板采用膜單元，隔震支座采用程序自帶的橡膠隔震支座單元模擬，進(jìn)行地震響應(yīng)時(shí)程分析，將分析結(jié)果與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證數(shù)值分析的可靠性。

圖10 有限元分析模型Fig.10 Finite element model

圖11～圖13為試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c有限元模型結(jié)果對(duì)比。由圖表明，三種模型結(jié)構(gòu)層間位移響應(yīng)試驗(yàn)值及數(shù)值結(jié)果的響應(yīng)規(guī)律一致，三種模型結(jié)構(gòu)對(duì)比結(jié)果吻合度高，最大誤差在12%以內(nèi)。

圖14為層間隔震隔震層位移的試驗(yàn)與有限元模型結(jié)果對(duì)比，圖15為基礎(chǔ)隔震隔震層位移的試驗(yàn)與有限元模型結(jié)果對(duì)比。由圖14和圖15可知，普通地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下，層間隔震與基礎(chǔ)隔震試驗(yàn)?zāi)Ｐ透粽饘游灰婆c有限元數(shù)值分析的結(jié)果總體吻合度較高，且隔震層峰值位移相差在10%以內(nèi)，表明數(shù)值分析的可靠性高。

圖11 抗震結(jié)構(gòu)層間位移對(duì)比Fig.11 Comparison of intestory drift of aseismic structure

圖12 層間隔震層間位移對(duì)比Fig.12 Comparison of intestory drift of midstory-isolated structure

圖13 基礎(chǔ)隔震層間位移對(duì)比Fig.13 Comparison of intestory drift of base-isolated structure

圖14 層間隔震隔震層位移的試驗(yàn)與計(jì)算值對(duì)比Fig.14 Comparison of the isolation layer drift of midstory-isolated structure under tests and calculations

圖15 基礎(chǔ)隔震隔震層位移的試驗(yàn)與計(jì)算值對(duì)比Fig.15 Comparison of the isolation layer drift of base-isolated structure under tests and calculations

5 不同水平向縮進(jìn)尺寸比例的模型數(shù)值分析

前述振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為水平向縮進(jìn)尺寸1∶3的結(jié)構(gòu)模型。工程應(yīng)用中，塔樓底盤(pán)水平向縮進(jìn)尺寸當(dāng)大于1∶3時(shí)(塔樓面積小)通常采用層間隔震，當(dāng)小于1∶1.5時(shí)(塔樓面積大)采用基礎(chǔ)隔震，當(dāng)處于1∶1.5～1∶3時(shí)，為確定大底盤(pán)塔樓選擇合理的隔震形式，進(jìn)行相同條件下的不同水平向尺寸縮進(jìn)模型的數(shù)值模擬，縮進(jìn)尺寸分別定為1∶1.5，1∶2，1∶2.5和1∶3。利用Midas軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同塔樓縮進(jìn)程度情況下這四種數(shù)值模型的整體模型動(dòng)力響應(yīng)，并進(jìn)行對(duì)比與分析，如圖16～圖18所示。

圖16 抗震數(shù)值模型加速度放大系數(shù)對(duì)比Fig.16 Comparison of acceleration amplification coefficients of aseismic numerical models

圖17 層間隔震數(shù)值模型加速度放大系數(shù)對(duì)比Fig.17 Comparison of acceleration amplification coefficients of midstory-isolated numerical models

圖18 基礎(chǔ)隔震數(shù)值模型加速度放大系數(shù)對(duì)比Fig.18 Comparison of acceleration amplification coefficients of base-isolated numerical models

由圖16～18可知，縮進(jìn)尺寸分別為1∶1.5，1∶2，1∶2.5和1∶3時(shí)，不同的塔樓水平向縮進(jìn)尺寸比例對(duì)隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性并無(wú)明顯影響。圖16表明抗震模型各層的加速度放大系數(shù)隨樓層高度均呈逐漸增大趨勢(shì)，頂層較為明顯，且遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)下加速度放大系數(shù)明顯大于普通地震動(dòng)下的加速度放大系數(shù)。圖17表明層間隔震塔樓各層加速度放大系數(shù)近似一致，總體近乎平動(dòng)，大底盤(pán)各樓層加速度相對(duì)于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度放大1～2倍。由圖18可知，普通地震下的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的平動(dòng)，且各樓層加速度放大系數(shù)小于1.0；遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震下的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)底盤(pán)與塔樓略微呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，但底盤(pán)與塔樓總體近似呈現(xiàn)平動(dòng)狀態(tài)。對(duì)比分析圖17～圖18可知，不同類型地震動(dòng)作用下，采用層間隔震對(duì)于塔樓的減震效果優(yōu)于相應(yīng)的基礎(chǔ)隔震減震效果，但對(duì)底盤(pán)減震效果劣于基礎(chǔ)隔震減震效果。

6 結(jié) 論

本文進(jìn)行了不同類型地震動(dòng)作用下大底盤(pán)單塔樓抗震、層間隔震與基礎(chǔ)隔震模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1) 由于長(zhǎng)周期與類諧和成份不利影響，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)作用下大底盤(pán)單塔樓抗震、層間隔震與基礎(chǔ)隔震模型層間位移與加速度響應(yīng)為普通地震動(dòng)下響應(yīng)的2～3倍，且隔震結(jié)構(gòu)的減震性能也明顯劣于普通地震動(dòng)作用下的減震性能。因此，大底盤(pán)塔樓隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮長(zhǎng)周期與類諧和成份對(duì)其抗震性能的不利影響。

(2) 遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的長(zhǎng)周期與諧波成份導(dǎo)致隔震結(jié)構(gòu)模型的隔震層發(fā)生更大變形，達(dá)到普通地震動(dòng)作用下隔震層變形的3～4倍，且諧波成份加速度峰值與普通成份加速度峰值比值越大，隔震層變形越大。因此，按普通地震動(dòng)設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)，一旦遭遇遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)，易導(dǎo)致隔震支座破壞，需采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)隔震層的變形進(jìn)行控制。

(3) 塔樓底盤(pán)水平向縮進(jìn)尺寸當(dāng)處于1∶1.5～1∶3時(shí)，不同的塔樓水平向縮進(jìn)尺寸比例對(duì)隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性并無(wú)明顯影響。不同類型地震動(dòng)作用下，采用層間隔震對(duì)于塔樓的減震效果優(yōu)于相應(yīng)的基礎(chǔ)隔震減震效果，但對(duì)底盤(pán)減震效果劣于基礎(chǔ)隔震。