考慮土-結(jié)構(gòu)作用的層間隔震結(jié)構(gòu)三維地震響應(yīng)

周旺旺， 劉德穩(wěn)，2*， 趙潔， 劉陽， 武倩倩， 李天明

(1.西南林業(yè)大學土木工程學院， 昆明 650000； 2.西南林業(yè)大學博士后流動站， 昆明 650000； 3.同濟大學土木工程學院， 上海 200123)

層間隔震結(jié)構(gòu)是在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型隔震結(jié)構(gòu)，近年來，由于其良好的隔震性能備受關(guān)注。以往結(jié)構(gòu)研究主要集中在剛性基礎(chǔ)上，具有局限性和缺乏真實性，因此結(jié)構(gòu)考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)(soil-structure interaction，SSI)更真實全面，研究具有參考價值。

對考慮SSI效應(yīng)的研究主要集中在抗震與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)上，缺少考慮SSI效應(yīng)作用下的層間隔震結(jié)構(gòu)研究。顧鎮(zhèn)媛等[1]以大跨度隔震結(jié)構(gòu)為研究對象,提出的基于性能的抗震設(shè)計方法與可靠度理論相結(jié)合,能在給定的性能目標下有效地保證大跨隔震結(jié)構(gòu)的安全。王剛[2]選用四層磚砌體結(jié)構(gòu)，設(shè)計差異沉降下多層磚砌體建筑結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù),提出4種布樁方式，通過能量分析和逆動力分析，得出最優(yōu)布樁方式。尚彥軍等[3]針對不同埋深的軟硬巖層，對拉張盆地進行了復(fù)合地層中隧道圍巖變形破壞數(shù)值模擬研究。趙桂峰等[4]針對填充墻布置方式，對彈塑性鋼筋混凝土框架隔震結(jié)構(gòu)的性能及隔震設(shè)計方法，提出了安全性的建議。宋曉等[5]基于Timoshenko理論建立層間隔震連續(xù)化分析模型，研究層間隔震結(jié)構(gòu)減震效果隨隔震層位置、隔震層剛度、阻尼變化的影響規(guī)律。劉彥輝等[6]分別采用剛度非退化和退化的Bouc-Wen模型模擬隔震層及其他樓層的恢復(fù)力特性，運用虛擬激勵法對層間組合隔震結(jié)構(gòu)進行隨機響應(yīng)分析。張瑞甫等[7]提出采用慣容隔震系統(tǒng)提高能量耗散效率控制地震響應(yīng)，并以一個標準鋼結(jié)構(gòu)模型驗證了方法的有效性。崔俊偉等[8]和劉付鈞等[9]針對大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)，分別進行了抗震性能分析與結(jié)構(gòu)方案選型及設(shè)計。Skandalos等[10]利用算法對層間隔震進行了多目標優(yōu)化設(shè)計。Kim等[11]對某高層建筑結(jié)構(gòu)進行了智能中層隔離控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，該系統(tǒng)由橡膠軸承和磁流變阻尼器組成，結(jié)果表明該方法能有效地減少地震引起的層間和隔震體位移。劉藝誠等[12]通過直接法計算得到了土-結(jié)構(gòu)相互作用下的樓層反應(yīng)譜，發(fā)現(xiàn)地上部分的樓層反應(yīng)譜譜值遠大于地下部分,且因結(jié)構(gòu)、荷載等因素差異較大。韓流濤等[13]考慮土與結(jié)構(gòu)(井塔和井筒)相互作用對井塔抗震分析影響的問題，采用理論分析和數(shù)值分析兩種方法，結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)土體越軟，土-結(jié)構(gòu)相互作用對井塔抗震分析的影響越大。彭齊馭等[14]通過軟件模擬計算在不同情況下,考慮SSI效應(yīng)、不考慮SSI效應(yīng)、隔震、非隔震,以及不同數(shù)量設(shè)置的鉛芯橡膠隔震支座下的安全殼的地震加速度、位移響應(yīng)，結(jié)果表明考慮SSI效應(yīng)作用不可忽視。

以上均為水平向地震下的隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究，但實際地震具有多維性，只考慮水平向往往不夠真實全面，且在考慮SSI效應(yīng)中更為復(fù)雜，鮮見相關(guān)研究?；诖?，現(xiàn)建立層間隔震結(jié)構(gòu)模型，在三維地震激勵下，考慮SSI效應(yīng)的響應(yīng)研究，針對三維地震動，設(shè)置三維隔震支座，并與傳統(tǒng)水平隔震支座進行對比分析，以期為層間隔震結(jié)構(gòu)建筑提供理論參考。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

某8層框架層間隔震結(jié)構(gòu)，總高度為28.6 m，結(jié)構(gòu)為矩形，長30 m、寬12 m、底層高4 m，其余層高均為3.6 m。設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20 g，場地類別Ⅱ類，地震設(shè)計分組第二組，隔震層在第2層柱底。柱尺寸為900 mm×900 mm，主梁尺寸為300 mm×700 mm，次梁尺寸為300 mm×600 mm，柱、梁混凝土強度等級分別為C40和C30，鋼筋材料縱筋為HRB400，箍筋為HPB300，混凝土保護層厚度為30 mm。結(jié)構(gòu)的3D圖如圖1所示。

圖1 層間隔震3D圖Fig.1 Layer isolation structure drawing

1.2 模型建立

運用有限元軟件ETABS建立層間隔震結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)總水平屈服力為重力荷載標準值下基底豎向反力的2%來布置隔震支座，角柱采用鉛芯橡膠隔震支座LRB600共4個、邊柱采用LRB500共8個，中柱采用普通橡膠隔震支座LNR500共8個，隔震支座產(chǎn)品規(guī)格如表1所示。隔震支座采用Isolation單元，梁柱采用梁柱空間單元，混凝土采用Takeda滯回類型，HPB300和HRB400鋼筋均采用Kinematic滯回類型?？蚣苤捎美w維P-M2-M3鉸，框架梁和連梁兩端采用M3鉸。

表1 隔震支座產(chǎn)品規(guī)格

1.3 地震波選取

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，根據(jù)規(guī)范選取的3條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，一條采用上海人工波，二條通過美國太平洋地震中心選取為遷安波和天津波，三向地震分量的加速度比值按1∶0.85∶0.65比例調(diào)整，加速度反應(yīng)譜如圖2所示。

圖2 加速度反應(yīng)譜Fig.2 Acceleration response spectrum

1.4 SSI效應(yīng)的實現(xiàn)

地基土體采用點彈簧進行非線性模擬，點簧的剛度隨著土的剪切波速及密度的增大而增大，點彈簧的剛度越大，土體越硬，以此模擬不同性質(zhì)的土體。地基土的平動剛度kT、平動阻尼cT、轉(zhuǎn)動剛度kφ、轉(zhuǎn)動阻尼cφ主要與地基和基礎(chǔ)參數(shù)相關(guān)，計算公式為

kT=4.4ξvs

(1)

cT=2.7ξr

(2)

kφ=2.3ξvsr2

(3)

cφ=0.31ξr3

(4)

式中：ξ=ρvsr；ρ為地基中心的質(zhì)量密度;vs為地基中心的剪切波速;r為基礎(chǔ)底板的等效半徑。

點彈簧模擬的兩種土體參數(shù)如表2所示。

2 三維地震下考慮SSI層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

2.1 三維地震下考慮SSI層間隔震結(jié)構(gòu)周期

基底采用不同性質(zhì)土時結(jié)構(gòu)頻率對比如表3所示。

表3 不同性質(zhì)土時結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)周期

由表3可知，考慮SSI效應(yīng)時層間隔震結(jié)構(gòu)周期增大，且地基為軟土時的周期增幅略大于硬土，這是由于土與結(jié)構(gòu)相互作用使結(jié)構(gòu)剛度軟化，結(jié)構(gòu)變得更柔,周期有所延長。

2.2 三維地震下考慮SSI層間隔震結(jié)構(gòu)隔減震性能

基底采用不同性質(zhì)土時，輸入三維地震遷安波、上海人工波、天津波作為層間隔震結(jié)構(gòu)的激勵，進行地震響應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)的層間位移角對比如圖3所示，基底剪力如圖4所示。

由圖3可知，在三維地震動作用下，層間隔震結(jié)構(gòu)主體的層間位移角均在0.001 4以內(nèi)，隔震層位移角在0.003 8以內(nèi)，符合建筑抗震規(guī)范要求。考慮SSI效應(yīng)下的層間隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角明顯大于未考慮SSI的情況，考慮SSI效應(yīng)中基底采用軟土時的層間位移角略大于基底采用硬土時的情況。這是由于考慮SSI效應(yīng)時使結(jié)構(gòu)剛度軟化，且土體越軟這種效果越明顯。

圖3 結(jié)構(gòu)層間位移角對比圖Fig.3 Comparison of interlayer displacement angles between structures

表2 點彈簧參數(shù)

圖4 結(jié)構(gòu)基底剪力對比圖Fig.4 Comparison diagram of structural base shear

由圖4可知，三維地震下的層間隔震結(jié)構(gòu)，考慮SSI效應(yīng)和不考慮SSI效應(yīng)的基底剪力相差不大，變化均不超過5%，無明顯變化規(guī)律，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)予以關(guān)注。

2.3 三維地震下考慮SSI層間隔震結(jié)構(gòu)損傷結(jié)果

對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性時程分析，塑性鉸結(jié)果如圖5所示，應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

由圖5和圖6可知，三維地震下，考慮SSI效應(yīng)的結(jié)構(gòu)塑性鉸狀態(tài)均處于屈服階段(圖5中的綠色圓點)，結(jié)構(gòu)塑性鉸數(shù)量和應(yīng)力值均大于不考慮SSI效應(yīng)的情況。基底采用不同性質(zhì)土時，軟土產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)塑性鉸多于硬土，且軟土的應(yīng)力略大于硬土。這是由于土體的填充使結(jié)構(gòu)整體剛度減小，在重力荷載的作用下使結(jié)構(gòu)損傷加重，土體越軟越明顯，高層建筑受重力荷載影響較大，因此在軟土層進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)予以注意。

3 三維隔震支座在考慮SSI中的隔減震性能

三維地震動會加重結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，在考慮SSI效應(yīng)時結(jié)構(gòu)響應(yīng)更大，采用傳統(tǒng)的水平隔震支座減震性能表現(xiàn)較差?，F(xiàn)用三維隔震支座替換傳統(tǒng)水平隔震支座，三維隔震支座分為水平隔震層和豎向隔震層，水平隔震層處布置相同的橡膠隔震支座，在豎向隔震層處設(shè)置碟形彈簧支座，碟形彈簧采用高強度鋼材60Si2MnA，材料參數(shù)為：彈性模量2.05×105MPa、屈服強度1 500 MPa、切線模量75 MPa和泊松比0.3，并與傳統(tǒng)水平隔震支座(只布置水平向隔震支座)進行分析對比。

圖5 結(jié)構(gòu)塑性鉸Fig.5 Structural plastic hinge

圖6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig.6 Structural stress maps

3.1 周期對比

三維隔震支座與傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)周期結(jié)果對比如表4所示。

由表4可知，三維隔震支座結(jié)構(gòu)的前6階周期大于傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)，這是由于三維隔震支座增加的豎向隔震層，替換了原有的柱子，周期有所延長?？紤]SSI效應(yīng)時，表現(xiàn)為軟土地基時的周期大于硬土。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

輸入相同的三維地震動，分析SSI效應(yīng)層間隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，取其結(jié)果的包洛值。結(jié)構(gòu)三維隔震支座結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)的層間位移角結(jié)果對比如圖7所示。

由圖7可知，兩種結(jié)構(gòu)的支座水平位移均滿足規(guī)范要求。三維地震下，采用不同土體性質(zhì)，三維隔震支座的結(jié)構(gòu)主體層間位移角均小于設(shè)置傳統(tǒng)水平隔震支座的結(jié)構(gòu)層間位移，隔震效果較好。但是三維隔震支座層的層間位移角最高達到了0.003 1，雖然在規(guī)范的0.003 8以內(nèi)，但是在遠場類諧和地震波作用下可能會發(fā)生支座位移角超限問題，支座容易發(fā)生損壞，尤其是在高層建筑中，結(jié)構(gòu)周期較大，容易發(fā)生共振，設(shè)計中應(yīng)予以注意。

圖7 結(jié)構(gòu)層間位移角對比圖Fig.7 Comparison diagram of interlayer displacement angle of structure

三維隔震支座結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)的基底剪力結(jié)果對比如圖8所示。

由圖8可知，三維地震下，三維隔震支座結(jié)構(gòu)在不同土體性質(zhì)下均具有不錯的減震效果，基底剪力相對于傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)有著明顯的減小。

圖8 結(jié)構(gòu)基底剪力對比圖Fig.8 Comparison diagram of base shear of structure

3.3 結(jié)構(gòu)損傷對比

結(jié)構(gòu)塑性鉸結(jié)果如圖9所示，應(yīng)力結(jié)果如圖10所示。

由圖9和圖10并對比圖5和圖6可知：三維地震作用下，不同的土體性質(zhì)的情況下，三維隔震支座結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的塑性鉸(圖9中的綠色圓點)數(shù)量和應(yīng)力值相比于傳統(tǒng)水平隔震支座結(jié)構(gòu)均明顯減少，且塑性鉸大都集中在隔震層下部，說明三維隔震支座發(fā)揮作用，吸收消耗地震能量，減少地震向上部結(jié)構(gòu)傳遞，三維隔震支座具有良好的隔減震性能。

4 結(jié)論

建立了層間隔震結(jié)構(gòu)模型，考慮SSI在三維地震動下的非線性時程分析。設(shè)置三維隔震支座，并與設(shè)置傳統(tǒng)水平隔震支座的結(jié)構(gòu)進行了地震響應(yīng)分析對比，得到以下結(jié)論。

表4 結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)周期

圖9 三維隔震支座結(jié)構(gòu)塑性鉸Fig.9 Plastic hinge of three-dimensional isolation bearing structure

圖10 三維隔震支座結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig.10 Stress diagram of the three-dimensional isolation bearing structure

(1)三維地震動下，考慮SSI效應(yīng)的層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)增大，考慮SSI軟土的地震響應(yīng)大于硬土，這是由于土體的填充使結(jié)構(gòu)剛度軟化，在重力荷載的作用下使結(jié)構(gòu)損傷加重，且這種效應(yīng)土體越軟越明顯，在軟土層進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)予以注意。

(2)三維地震動下，考慮SSI效應(yīng)的層間隔震結(jié)構(gòu)周期有所延長，層間位移角增大，結(jié)構(gòu)塑性鉸和應(yīng)力均增大，剪力變化情況比較復(fù)雜無明顯規(guī)律，在設(shè)計應(yīng)予以關(guān)注。

(3)替換傳統(tǒng)水平隔震支座，采用三維隔震支座后，結(jié)構(gòu)在不同土體性質(zhì)地基下，結(jié)構(gòu)的層間位移角、基底剪力均明顯減少，結(jié)構(gòu)的損傷程度減輕，表明三維隔震支座具有更好的隔減震性能。