考慮土-樁筏基礎-結構的共同作用的層間隔震結構地震響應

房思彤， 劉德穩*， 張亞飛， 雷 敏

(1.西南林業大學土木工程學院， 昆明 650051； 2.同濟大學土木工程學院， 上海 200091)

層間隔震結構是一種新型隔震體系，近年來其隔震性能受到各國學者關注。近年來，中國建筑行業發展迅速，對房屋的安全性愈發重視，以往對于結構研究的剛性基礎假定具有局限性和不真實性，對考慮土-結構相互作用(soil-structure interaction，SSI)更加全面的認識與研究將具有價值。

針對SSI效應的抗震結構體系，一些組織機構和學者進行了研究，王剛[1]用四層磚砌體結構作為研究對象輸入地震波，比較不同技術下結構從基礎開始變形至完全破壞的過程，發現所提技術對多層專題建筑結構的抗震加固性能好。張望喜等[2]對某 6 層辦公樓的框架進行了分析研究，發現在考慮土-結構相互作用后，鋼筋混凝土(reinforced concrete，RC)框架結構自振周期變長，頻率下降，結構頂點位移變大，整個結構最下層柱鉸變多。朱林等[3]總結了用于結構減震的多種安裝形式的黏滯阻尼器，提出一種新的簡易抗震裝置，具有較好的隔震性能。李清等[4]發現大底盤雙塔結構在地震時底盤與上部塔樓連接處的薄弱層易遭到破壞，采用層間隔震技術，結果表明：隔震結構的加速度幅值、層間位移、底部剪力都相應地減小。Xia等[5]研究大跨度鋼、木混合結構屋蓋的抗震性能，從基本周期與抗側剛度比、地震作用估算、承載力設置、抗震變形驗算、連接與基礎設計5個測試參數展開，結果表明：跨度鋼、木混合結構屋蓋相對單一結構屋蓋而言,抗震性能更好。Pan等[6]以上海中心大廈為實例進行研究，建立了基于宏梁理論的集總質量有限元模型，通過簡化模型提供了一種預測其地震響應的有效方法，并且其輸出對于長期健康監測和地震翻新領域的廣泛應用是可靠的。Mokhtari等[7]以研究RC建筑物的抗震能力，對6層RC建筑物進行了分析檢查，對遠斷層地面運動進行了增量動力分析，建議是否使用摩擦擺軸承(friction pendulum bearing，FPB)。周力強等[8]以3層的鋼框架結構為分析模型利用Sap2000對上部結構質量中心和隔震層質量中心、剛度中心分布不均勻的3種方案，研究表明：隔震層的剛度中心偏心距較質量中心偏心距對上部結構的影響更大。易鳴等[9]以某框架結構基礎隔震樓和與其相近的非隔震樓進行對比，總體來說,隔震支座可以顯著降低水平向地震對于結構的不良反應,值得推廣應用。劉學軍等[10]、周力強等[11]、尚守平等[12]均研究表明考慮SSI效應下結構地震響應具有差異，顏桂云等[13]以山東鄄城的某學校6層鋼筋混凝土框架結構教學樓利用不同類型的地震波隔震支座來對比減震效果的強弱，給隔震設計起一定的參考作用，李敬宇等[14]對隔震層放置不同位置對地震響應參數具有相關性。

以上均為抗震體系和基礎隔震體系，對于考慮SSI效應的樁基礎層間隔震結構體系，尚未有學者涉及?；诖?，現建立考慮SSI效應下層間隔震結構模型，通過地震作用下結構的非線性響應分析，揭示考慮SSI效應下層間隔震結構地震響應規律，給實際工程提供理論依據。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

某8層框架結構建立層間隔震結構，設防烈度8度，場地類別Ⅱ類，地震設計分組第二組，采用框架結構體系，隔震層在2層頂。結構長40 m，寬32 m，層高3 m，柱尺寸為800 mm×800 mm，梁尺寸為600 mm×300 mm，柱混凝土強度等級為C40，梁混凝土強度等級為C30，縱向鋼筋型號為HRB400，箍筋型號為HRB300，混凝土保護層厚度為30 mm?；A采用樁筏基礎，上部結構阻尼比為0.05，地基土體阻尼比為0.2，采用瑞利阻尼。圖1為結構三維有限元模型，表1為基底下不同土體參數，表2為黏性邊界參數。

表2 邊界黏性單元

表1 采用不同地基土參數

圖1 考慮土-樁筏基礎-結構的層間隔震結構3D圖Fig.1 3D diagram of story isolation structure considering soil pile raft foundation structure

本模型梁柱采用beam單元，樓板采用shell單元，基礎采用solid單元，三者采用tie綁定，共節點耦合連接。模擬土體截取的約16倍邊長的長方形，長為400 m，寬為300 m，深度方向為30 m，在土體邊界處采用黏彈性邊界吸收地震波，地震波在基巖底部施加，使得結構及土體受到地震作用，采用非線性彈簧進行模擬隔震支座。

1.2 地震波選取

通過美國太平洋地震中心選取3條地震動南京波、天津波和蘭州波，地震動基本信息如表3所示，地震波的加速度反應譜如圖2所示。

表3 三類地震動基本信息

圖2 地震波反應譜Fig.2 Seismic wave response spectrum

2 考慮SSI效應下層間隔震地震響應

2.1 基底采用不同性質土時的層間隔震結構地震響應

基底采用不同性質土時結構頻率對比如表4所示。

表4 基底采用不同性質土時結構模態分析前3階周期

由表4可知，考慮土-結構相互作用后，不同地基假定計算出的結構周期相比，在前三階，軟土層比硬土層的結構體系自振周期延長。3種地震波下基底采用不同性質土時結構的基底剪力如圖3所示。

圖3 基底下采用不同性質土時的天津波、南京波和蘭州波的結構基底剪力對比圖Fig.3 Comparison of shear force of structural basement of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave under different soil properties

由圖3可知，在3種地震波的輸入下對考慮SSI效應的層間隔震結構進行地震響應分析，基底下采用不同性質土時，不考慮SSI效應的基底剪力明顯大于考慮SSI的情況，而基底采用硬土層時又較軟土層的剪力更大。3種地震波輸入下基底采用軟、硬土時樓層位移圖如圖4所示。

由圖4可知，3種地震波輸入下對考慮SSI效應的層間隔震結構進行地震響應分析，基底采用不同性質土時，不考慮SSI效應的樓層位移明顯大于考慮SSI的情況，而采用硬土層時又較軟土層時樓層位移更大?；撞捎貌煌再|土下結構應力、應變及位移云圖如圖5～圖7所示。

圖4 不同性質土層時的天津波、南京波和蘭州波的樓層位移圖Fig.4 Floor displacement diagram of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave under different soil layers

由圖5～圖7可知，基底采用不同性質土時，上部結構及土體整體的應力應變有所區別，隨著土體的剛度增大，基底采用硬土層時的應力、應變大于采用軟土層的情況。

圖5 基底采用不同性質土時上部結構應力圖Fig.5 Stress diagram of superstructure with different soil properties

圖6 基底采用不同性質土時土體應力圖Fig.6 Stress diagram of soil mass with different soil properties

圖7 基底采用不同性質土時土體應變圖Fig.7 Strain diagram of soil mass with different soil properties

2.2 不同樁長的層間隔震結構地震響應

采用不同樁長時(淺樁基礎3 000 mm，深樁基礎6 400 mm)時結構周期比如表5所示。

由表5可知，考慮SSI時，深樁基礎比淺樁基礎的結構模態頻率大、周期小。3種地震波下不同基礎埋深地震響應如圖8所示。

表5 采用不同樁長時模態分析前3階周期

由圖8可知，不考慮SSI效應的結構基底剪力明顯大于考慮SSI的情況，淺樁基礎的結構基底剪力值較深樁基礎體系降低。這是由于深樁基礎與淺樁基礎相比，其地基對上部結構多了基礎周圍約束，加強了對上部結構的約束作用，使得基礎的回轉運動減弱，傳遞給上部結構的加速度增大，因此基底剪力增大。三種地震波下不同基礎樁深時結構位移響應如圖9所示。

圖8 采用不同基礎樁深時的天津波、南京波和蘭州波的結構基底剪力對比圖Fig.8 Comparison of structural base shear of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave with different pile depths

由圖9可知，考慮 SSI效應時，不考慮SSI的結構位移響應明顯大于考慮SSI的情況，采用深樁基礎比淺樁基礎的結構各層位移要大。采用不同基礎樁深的結構應力、應變及位移云圖如圖10～圖12所示。

圖9 采用不同基礎樁深時的天津波、南京波和蘭州波的結構位移對比圖Fig.9 Comparison of structural displacement of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave with different pile depths

由圖10～圖12可知，考慮SSI作用下淺樁基礎和深樁基礎時體系應力場、應變場發生改變，采用深樁基礎的土層應力、應變大于淺樁基礎時的情況。

圖10 采用不同基礎樁深與不考慮SSI的結構應力對比圖Fig.10 Comparison of structural stress with different pile depths and without considering SSI

圖11 采用不同基礎樁深時土層應力圖Fig.11 Stress diagram of soil layer with different pile depths

圖12 采用不同基礎樁深時土層應變圖Fig.12 Strain diagram of soil layer with different pile depths

3 結論

建立了考慮土-樁筏基礎-結構共同作用的層間隔震結構地震響應模型，通過非線性響應分析，研究了考慮SSI效應下層間隔震結構地震響應規律，得到以下結論。

(1)不同地震波輸入下，不考慮SSI層間隔震地震響應比考慮SSI的地震響應要大。

(2)考慮SSI時，基底采用不同性質土時，采用硬土時結構基底剪力、各層位移比采用軟土層時大。

(3)考慮SSI時，采用深樁基礎時的基底剪力、各層位移比采用淺樁基礎時大。