近斷層地震作用下設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系動(dòng)力響應(yīng)分析

韓 淼, 蔣金衛(wèi), 杜紅凱, 劉洋博, 馮思嘉, 董凱旗

(北京建筑大學(xué)北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100044)

0 引言

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為持久性的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和支撐于建筑結(jié)構(gòu)的附屬設(shè)備[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的造價(jià)提升,在有些建筑中甚至已超過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)件[2-3],若在地震中發(fā)生破壞,將造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。建筑主體結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件是耦合的結(jié)構(gòu)整體,當(dāng)設(shè)備質(zhì)量較大時(shí),兩者的相互作用不應(yīng)忽略。關(guān)于設(shè)備與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的耦合作用已有較多研究:李杰等[4-5]通過(guò)建立1∶4縮尺的多種不同類型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究表明設(shè)備與結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系對(duì)設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合體系的頻譜特性有顯著影響;林均岐[6]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M位于樓層頂部不同的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,結(jié)果表明非結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量比和阻尼比的變化對(duì)整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)存在明顯影響;陳建兵等[7]提出通過(guò)場(chǎng)地土的卓越周期判定設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互動(dòng)力作用對(duì)設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合體系的動(dòng)力響應(yīng)影響。

自1994年Northridge地震和1995年Kobe地震后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的破壞較大[8],尤其是具有脈沖特性的近斷層地震動(dòng)[9-10]。隔震技術(shù)因具有延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期的特點(diǎn),能達(dá)到保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的目的,近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。因此,諸多學(xué)者對(duì)近斷層地震動(dòng)作用下的隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了深入研究[11-13],但多關(guān)注于無(wú)設(shè)備耦合的隔震結(jié)構(gòu)響應(yīng),關(guān)于近斷層地震動(dòng)作用下設(shè)備與隔震結(jié)構(gòu)耦合體系的動(dòng)力響應(yīng)研究較少。

據(jù)此,本文基于現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步結(jié)論,選取近斷層脈沖型和非脈沖型地震動(dòng)各50條,對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬分析,研究設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系的動(dòng)力響應(yīng)。

1 結(jié)構(gòu)分析模型建立

以某5層鋼框架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行研究,其設(shè)防烈度為8度(0.2g),場(chǎng)地類別Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,框架層高3.6 m,縱、橫向均為6跨,跨度7.2 m,如圖1所示。為開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),考慮到振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸的限制,將該5層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化,得到雙向單跨原型結(jié)構(gòu),并制作1∶4縮尺模型。梁、柱均采用方鋼管,截面尺寸分別為70 mm(高)×70 mm(寬)×6 mm(厚)和100 mm(高)×100 mm(寬)×5 mm(厚),鋼材采用Q355鋼。樓板采用10 mm厚的鋼板,樓層配重:1～4層2 040 kg,5層2 268 kg。模型的相似關(guān)系如表1所列。

圖1 5層鋼框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Five-story steel frame structure

表1 模型的相似關(guān)系

雙向單跨原型結(jié)構(gòu)與其縮尺模型的前3階自振周期如表2所列。將縮尺模型的自振周期根據(jù)時(shí)間相似比1∶2轉(zhuǎn)換后與原型結(jié)構(gòu)周期進(jìn)行對(duì)比,誤差<3%,滿足計(jì)算精度要求。

表2 原型結(jié)構(gòu)與縮尺模型前3階自振周期(單位:s)

在每根柱下安裝一個(gè)橡膠隔震支座,支座水平剛度為0.25 kN/mm,其他參數(shù)如表3所列。在縮尺模型頂層耦合一個(gè)由4根長(zhǎng)400 mm、直徑12 mm的圓鋼連接而成的設(shè)備。圓鋼間距250 mm,設(shè)備質(zhì)量為200 kg,自振頻率為3.95 Hz,組成設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系。利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模,梁柱采用B32梁?jiǎn)卧?樓板選用S4R5殼單元(圖2)。耦合隔震體系的基本周期為0.85 s。

2 地震波選取

從太平洋地震工程研究中心(PEER)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取100條典型近斷層地震波,其中近斷層脈沖型和非脈沖型地震波各50條。脈沖型地震波按脈沖周期升序排列,非脈沖型地震波按峰值位移(Peak Ground Displacement,PGD)升序排列。選波原則如下:

表3 支座參數(shù)(單位:mm)

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element calculation model

(1) 根據(jù)國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究學(xué)者公認(rèn)的近斷層地震動(dòng)斷層距定義,選取斷層距在20 km以內(nèi)的地震波;

(2) 為突出近斷層地震異于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的強(qiáng)度特征,選擇矩震級(jí)不小于5.5級(jí)的地震波;

(3) 為突出近斷層地震動(dòng)的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)特性,選擇峰值加速度大于0.1g的地震波；

(4) 地震波是否具有脈沖以及脈沖周期數(shù)值根據(jù)PEER數(shù)據(jù)庫(kù)確定[14]。

3 耦合隔震體系動(dòng)力響應(yīng)分析

將選取的近斷層脈沖型和非脈沖型地震波的峰值加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)調(diào)幅至0.07g、0.20g和0.40g,依次對(duì)應(yīng)設(shè)防烈度8度(0.2g)的小震、中震和大震,分組輸入給設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系模型,對(duì)耦合隔震體系的隔震層位移、層間位移、樓層加速度、設(shè)備加速度等動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析,研究近斷層脈沖型和非脈沖型地震動(dòng)對(duì)設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系動(dòng)力響應(yīng)的影響。

3.1 隔震層位移響應(yīng)

圖3(a)、(b)、(c)分別繪出了PGA為0.07g、0.20g、0.40g時(shí),50條脈沖型和50條非脈沖型地震波作用下隔震層的位移最大值，圖中P1代表脈沖型地震作用的位移最大值,NP1代表非脈沖型地震作用的位移最大值。從圖3中可看到,近斷層脈沖型地震作用下的隔震層位移總體上大于非脈沖型地震作用；隔震層位移的最大值為98.39 mm(40號(hào)脈沖地震波),超出橡膠隔震支座水平方向變形的限值，即隔震支座有效直徑150 mm的0.55倍和隔震支座橡膠總厚度3倍之間的較小值82.5 mm。

表4給出了近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下隔震層位移的最大值、平均值對(duì)比。從表4中可看到,近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下的隔震層位移最大值之比約為2.49,平均值之比約為2.25。這說(shuō)明耦合隔震體系的隔震層位移響應(yīng)需考慮近斷層地震動(dòng)脈沖特性的影響。

3.2 層間位移響應(yīng)分析

圖4(a)、(b)、(c)分別繪出了PGA為0.07g、0.20g、0.40g時(shí),近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下耦合隔震體系樓層層間位移的最大值與平均值曲線。圖中P2代表脈沖型地震作用的位移平均值,NP2代表非脈沖型地震作用的位移平均值。由圖4可看出,在近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下,樓層層間最大位移均呈反C形,1層與2層較大,3～5層逐漸減小。

表5給出了近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下耦合隔震體系樓層層間位移最大值、平均值的對(duì)比,同時(shí)在括號(hào)內(nèi)給出了相應(yīng)的層間位移角。從表5中可以看到,近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下耦合隔震體系層間位移的最大值之比約為2.25,平均值之比約為2.17。這說(shuō)明耦合隔震體系的層間位移響應(yīng)需考慮近斷層地震動(dòng)脈沖特性的影響。

由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]可知,多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為1/250,彈塑性層間位移角限值為1/50。由表5可看到:

(1) 當(dāng)PGA為0.07g時(shí),近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下層間位移角平均值均遠(yuǎn)小于1/250,即結(jié)構(gòu)能保持彈性;僅1條脈沖型地震波的層間位移角大于1/250,占2%。

(2) 當(dāng)PGA為0.20g時(shí),脈沖型地震作用下層間位移角的平均值大于1/250，非脈沖型地震作用下層間位移角的平均值小于1/250,最大值大于1/250。層間位移角最大值大于1/250的地震波共38條,其中脈沖型地震動(dòng)32條,占64%;非脈沖型地震動(dòng)6條,占12%。近斷層非脈沖型地震作用下結(jié)構(gòu)基本能保持彈性,但在脈沖型地震作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性的概率明顯增加。

圖3 近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下的隔震層最大位移對(duì)比Fig.3 Comparison between the maximum displacement of isolation layer under near-fault pulse-like and non-pulse-like ground motions

表4 隔震層位移對(duì)比

(3) 當(dāng)PGA為0.40g時(shí),近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下層間位移角的平均值均大于1/250。層間位移角最大值大于1/250的地震波共70條,其中脈沖型地震動(dòng)45條,占90%;非脈沖型地震動(dòng)25條,占50%。非脈沖型地震作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性的概率已較大,在脈沖型地震作用下結(jié)構(gòu)基本進(jìn)入彈塑性,且超越彈塑性位移限值的概率為4%。

綜上可得,相比近斷層非脈沖型地震動(dòng),耦合隔震體系在近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下的表現(xiàn)較差,結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性的概率明顯增大。

圖4 近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下的層間最大位移Fig.4 The maximum story drift under near-fault pulse-like and non-pulse-like ground motions

表5 層間位移對(duì)比

3.3 樓層加速度響應(yīng)

圖5繪出了PGA分別為0.07g、0.20g、0.40g時(shí),近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下樓層加速度的平均值曲線。由圖5可以看到,樓層加速度沿高度呈C形變化或隨高度的增加而增大,但以C形變化為主。其中,脈沖型地震作用下樓層加速度呈C形變化的比例為60%左右,非脈沖型地震作用下的比例為80%左右。一般而言,隔震技術(shù)可使頂層加速度峰值小于PGA[15],但由圖5可知,近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下耦合隔震體系的頂層加速度平均值大于PGA。

表6給出近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下樓層加速度最大值、平均值的對(duì)比。由表6可知,PGA為0.07g、0.20g、0.40g時(shí),近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下耦合隔震體系的樓層加速度的最大值之比約為1.71,平均值之比約為2.24。樓層加速度通常作為加速度敏感型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能指標(biāo),故耦合隔震體系的樓層加速度響應(yīng)需考慮近斷層地震動(dòng)脈沖特性的影響。

3.4 設(shè)備加速度響應(yīng)

圖6(a)、(b)、(c)分別繪出了PGA為0.07g、0.20g、0.40g時(shí),50條脈沖型和50條非脈沖型地震動(dòng)作用下頂層設(shè)備的加速度最大值。由圖6可知,近斷層脈沖型地震作用下的設(shè)備加速度總體上大于非脈沖型地震作用。

圖5 近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下的樓層加速度Fig.5 Floor acceleration under near-fault pulse-like and non-pulse-like ground motions

表6 樓層加速度對(duì)比

表7給出了近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下頂層設(shè)備加速度最大值、平均值的對(duì)比。由表7可知,近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下,設(shè)備加速度的最大值之比約為1.06,平均值之比約為1.17。這說(shuō)明脈沖特性對(duì)設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系中的設(shè)備加速度具有一定影響,隔震設(shè)計(jì)時(shí)需加以考慮。

3.5 設(shè)備位移響應(yīng)

圖7(a)、(b)、(c)分別繪出了PGA為0.07g、0.20g、0.40g時(shí),50條脈沖型和50條非脈沖型地震動(dòng)作用下頂層設(shè)備位移的最大值。表8給出了脈沖型和非脈沖型近斷層地震作用下,耦合隔震體系頂層設(shè)備位移最大值、平均值的對(duì)比。由圖7可知,33號(hào)脈沖型地震動(dòng)作用下設(shè)備位移響應(yīng)最劇烈;當(dāng)PGA=0.40g時(shí),設(shè)備塑性變形較大,時(shí)程曲線產(chǎn)生較大偏移,無(wú)法繞時(shí)間軸波動(dòng)。由表8中PGA=0.40g時(shí)脈沖型和非脈沖型的設(shè)備位移比值明顯大于PGA=0.07g和PGA=0.20g時(shí),亦可發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。由表8可知,近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下設(shè)備位移平均值之比約為1.20,說(shuō)明脈沖特性對(duì)設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系中的設(shè)備位移有影響,隔震設(shè)計(jì)時(shí)宜加以考慮。

圖6 近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下設(shè)備加速度最大值對(duì)比Fig.6 Comparison between the maximum acceleration of equipment under near-fault pulse-like and non-pulse-like ground motions

圖7 近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下設(shè)備位移最大值對(duì)比Fig.7 Comparison between the maximum displacement of equipment under near-fault pulse-like and non-pulse-like ground motions

表7 設(shè)備加速度對(duì)比

表8 設(shè)備位移對(duì)比

50條近斷層脈沖型地震波中,40號(hào)波引起了隔震層最大響應(yīng),33號(hào)波引起了設(shè)備最大響應(yīng);50條近斷層非脈沖型地震波中,引起隔震層和設(shè)備最大響應(yīng)的地震波也不同。這表明近斷層地震動(dòng)對(duì)耦合體系中主體結(jié)構(gòu)和設(shè)備響應(yīng)的影響有較大不同,引起主體結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)的地震動(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備響應(yīng)不一定最大,二者無(wú)絕對(duì)關(guān)系。對(duì)比響應(yīng)的比值發(fā)現(xiàn),脈沖特性對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響明顯大于對(duì)設(shè)備響應(yīng)的影響;脈沖型與非脈沖型地震動(dòng)作用下,結(jié)構(gòu)平均響應(yīng)的比值>2,而設(shè)備平均響應(yīng)的比值≤1.2。究其原因在于近斷層地震動(dòng)中的脈沖具有低頻特性,對(duì)隔震主體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響較大,而設(shè)備與主體結(jié)構(gòu)之間存在耦合作用,導(dǎo)致近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下設(shè)備響應(yīng)大于非脈沖型地震動(dòng),但設(shè)備頻率明顯大于主體結(jié)構(gòu)頻率,屬于高頻,故脈沖對(duì)其響應(yīng)的增幅相對(duì)較小。

4 結(jié)論

基于本文設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系,對(duì)近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下的隔震層位移、層間位移、樓層加速度、設(shè)備加速度以及設(shè)備位移響應(yīng)進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論。

(1) 相比近斷層非脈沖型地震動(dòng),耦合隔震體系在近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下的表現(xiàn)較差:近斷層脈沖型地震作用下的隔震層位移、層間位移和樓層加速度明顯大于非脈沖型地震作用;隔震層位移的最大值之比約為2.49,平均值之比約為2.25;層間位移的最大值之比約為2.25,平均值之比約為2.17;樓層加速度的最大值之比約為1.71,平均值之比約為2.24。

(2) 近斷層地震作用下,層間位移呈反C形,1、2層較大,3～5層逐漸減小;樓層加速度沿高度呈C形分布或隨高度的增加而增大,其中近斷層脈沖型地震作用引起樓層加速度C形分布的概率明顯大于非脈沖型地震作用。

(3) 整體而言,近斷層脈沖型地震作用下的設(shè)備加速度和位移大于非脈沖型地震作用,設(shè)備加速度的最大值之比約為1.06,平均值之比約為1.17,設(shè)備位移的平均值之比約為1.20。這說(shuō)明近斷層地震動(dòng)中的脈沖特性對(duì)設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合隔震體系中的設(shè)備響應(yīng)有影響。

由上述對(duì)比可知,近斷層地震動(dòng)的脈沖特性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響大于設(shè)備;近斷層脈沖型和非脈沖型地震作用下結(jié)構(gòu)位移和加速度平均響應(yīng)的比值>2.0,而設(shè)備位移和加速度平均響應(yīng)的比值≤1.2。引起隔震層最大變形的地震動(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備響應(yīng)并不一定最大,需結(jié)合樓面時(shí)程的頻譜特性進(jìn)行具體分析。