高層隔震結(jié)構(gòu)減震機理探討

商昊江，祁 皚

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350108)

隔震結(jié)構(gòu)的減震機理是延長結(jié)構(gòu)周期，降低地震反應(yīng)。若對周期較長的高層建筑采用隔震技術(shù)，從我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011－2010)［1］(以下簡稱《抗震規(guī)范》)中可知，長周期部分的地震影響系數(shù)曲線下降趨勢并不明顯，即隔震效果似乎不明顯。

然而，高層甚至超高層隔震建筑地震反應(yīng)時程分析結(jié)果表明減震效果顯著。日本已建隔震建筑最高為50層、美國為29層。日本一座隔震建筑高94.7 m、場地特征周期為 0.5 s，上部結(jié)構(gòu)自振周期為 1.7 s［2］。

在試驗方面，各國研究人員先后進(jìn)行了十余項隔震結(jié)構(gòu)模型的地震模擬振動臺試驗。在高層隔震方面，廣州大學(xué)劉文光 (2002年)與日本研究人員合作，在日本藤田建筑公司振動臺上完成了大高寬比(高寬比為5)的5層鋼框架的振動臺試驗和相應(yīng)的數(shù)值模擬［3］;哈爾濱工業(yè)大學(xué)王鐵英對一幢三榀二跨的六層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動臺試驗(高寬比為 3.1)［4－5］;哈爾濱工業(yè)大學(xué)付偉慶等［6－7］在廣州大學(xué)抗震中心做了高寬比為5的鋼框架振動臺試驗和相應(yīng)的數(shù)值模擬。以上試驗和數(shù)值模擬的結(jié)果表明了高層隔震結(jié)構(gòu)的減震效果并不比多層隔震結(jié)構(gòu)差很多。

在理論分析方面，對于大高寬比的高層和超高層、塔型隔震結(jié)構(gòu)體系，若采用《抗震規(guī)范》中的單質(zhì)點計算模型便會忽略了上部結(jié)構(gòu)的彎曲以及高階振型的影響，不能夠真實地反映結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性，文獻(xiàn)［8］提出用三質(zhì)點來等效高層隔震結(jié)構(gòu)，并通過高寬比影響系數(shù)對模型進(jìn)行修正，文獻(xiàn)［9］從柔度表示的頻率方程出發(fā)，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)周期、總基底剪力、頂點位移相等的準(zhǔn)則推導(dǎo)出了高層隔震結(jié)構(gòu)的三自由度等效模型。來自這些模型對于高層隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的分析同樣體現(xiàn)了高層隔震結(jié)構(gòu)的良好減震效果。

國內(nèi)外暫無對高層隔震結(jié)構(gòu)的減震機理進(jìn)行探討。與多層結(jié)構(gòu)相比，多振型參與振動是高層建筑的振動特點，本文將從時域和頻域兩個角度探討高層隔震結(jié)構(gòu)的多振型減震特性，進(jìn)一步明確高層隔震結(jié)構(gòu)的減震機理。

為說明高層隔震結(jié)構(gòu)的減震機理，以兩項工程為例(A工程為高層，B工程為多層)，分別用Etabs有限元分析軟件建模，并對比兩種結(jié)構(gòu)的減震機理，以此來闡述高層隔震結(jié)構(gòu)的減震機理。

1 工程概況

A工程為我國東南沿海某邊防大樓，共24層，鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，底層層高3.3 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3 m，抗震設(shè)防烈度為8度，Ⅱ類場地，特征周期為0.4 s。經(jīng)初步隔震設(shè)計，將隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)頂部與一層柱底之間，隔震層層高1.5 m，根據(jù)《抗震規(guī)范》12.2.3條關(guān)于＇橡膠隔震支座豎向平均壓應(yīng)力限值＇的規(guī)定確定隔震支座的選擇和布置如下:在邊柱和角柱柱下共放置了30個GZY900隔震支座及6個GZP900隔震支座;在剪力墻下每隔1.8 m放置一個GZP350隔震支座，共放置36個;在中柱柱下共放置了39個GZP900隔震支座，隔震層平面簡圖如圖1所示，隔震支座的性能參數(shù)見表1和表2。

圖1 A工程隔震層平面Fig.1 Isolation layer plane of A project

表1 普通橡膠隔震支座(GZP)性能參數(shù)(A工程)Tab.1 Performance parameters of natural rubber bearing(GZP)(A project)

表2 鉛芯橡膠隔震支座(GZY)性能參數(shù)(A工程)Tab.2 Performance parameters of lead rubber bearing(GZY)(A project)

用Etabs軟件對其進(jìn)行建模，隔震前后各振型周期如表3所示。

B工程為某高校宿舍樓，共7層，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，底層3.6 m，其余各層3 m，抗震設(shè)防烈度為8度，Ⅱ類場地，特征周期為0.4 s，經(jīng)初步隔震設(shè)計，將隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)頂部與一層柱底之間，隔震層1.5 m，根據(jù)《抗震規(guī)范》12.2.3條關(guān)于＇橡膠隔震支座豎向平均壓應(yīng)力限值＇的規(guī)定確定隔震支座的選擇和布置如下:在角柱柱下共放置了4個GZY600隔震支座，在中柱和邊柱柱下共放置了40個GZP500隔震支座，隔震層平面簡圖如圖2所示，隔震支座的性能參數(shù)見表4和表5。

表3 隔震前后各階振型的周期(X方向)Tab.3 Period of each mode of base-fixed and base-isolated structure(X direction)

圖2 B工程隔震層平面Fig.2 Isolation layer plane of B project

表4 普通橡膠隔震支座(GZP)性能參數(shù)(B工程)Tab.4 Performance parameters of natural rubber bearing(GZP)(B project)

表5 普通橡膠隔震支座(GZP)性能參數(shù)(B工程)Tab.5 Performance parameters of natural rubber bearing(GZP)(B project)

用Etabs軟件對其進(jìn)行建模，隔震前后各振型周期如表6所示，與表3對比發(fā)現(xiàn)，高層隔震結(jié)構(gòu)與多層隔震結(jié)構(gòu)第1周期與抗震結(jié)構(gòu)的比分別為1.9和2.6，高層隔震結(jié)構(gòu)不滿足周期比2的一般限制［2］，若用隔震的最初原理(地震作用隨著結(jié)構(gòu)第1周期的增大而減小)判斷，地震作用的減少并不明顯，因此，這也是需進(jìn)一步明確高層隔震結(jié)構(gòu)減震機理的原因。

表6 隔震前后各階振型的周期(X方向)Tab.6 Period of each mode of base-fixed and base-isolated structure(X direction)

2 頻域分析

對A工程和B工程分別沿X方向輸入Elcentro波、Tarzana波和人工波，峰值調(diào)至400 gal(8度罕遇)。

為考察隔震前后結(jié)構(gòu)振動的差異以及減震的效果，經(jīng) Etabs軟件計算，采用離散 Fourier變換，作出Elcentro波的加速度反應(yīng)譜和相應(yīng)的隔震層加速度反應(yīng)譜(阻尼比ζ=0.05)，如圖3(A工程)及圖4(B工程)所示。

圖3 Elcentro波下A工程的地震加速度反應(yīng)譜和隔震層加速度反應(yīng)譜Fig.3 Acceleration spectrum of ground wave and isolation layer wave of A project under Elcentro seismic action

從圖3和圖4中可以看到，在周期較小時，隔震反應(yīng)譜加速度都減少了很多，而在周期較大時，與地震反應(yīng)譜差不多，甚至出現(xiàn)了比原來大很多的情況，尤其是多層結(jié)構(gòu)，相對地震反應(yīng)譜出現(xiàn)了一個很大的波峰(如圖4)，說明隔震層不僅濾掉了與建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)關(guān)系較大的短周期部分的能量，而且把地震動的一部分能量引入了與建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)關(guān)系不大的長周期部分，從而大大降低了地震作用。從圖3和圖4中，我們還可以直觀地發(fā)現(xiàn)，A工程在短周期部分的反應(yīng)譜加速度的減少比B工程要多很多，這成為高層的多振型減震的基礎(chǔ)。

圖4 Elcentro波下B工程的地震加速度反應(yīng)譜和隔震層加速度反應(yīng)譜Fig.4 Acceleration spectrum of ground wave and isolation layer wave of B project under Elcentro seismic action

為了解結(jié)構(gòu)各振型的反應(yīng)譜情況，取Elcentro波下的各階振型所對應(yīng)的反應(yīng)譜數(shù)值，如表7和表8所示，從中可以看出:無論是高層隔震還是多層隔震，各階振型的反應(yīng)譜加速度都減少了很多，說明無論是高層隔震結(jié)構(gòu)還是多層隔震結(jié)構(gòu)都存在多振型減震的作用，但在高層結(jié)構(gòu)中，高階振型反應(yīng)譜加速度的減少量相對于第一階振型反應(yīng)譜加速度的減少量要大很多，而在多層結(jié)構(gòu)中，高階振型的減少量與第一階振型差不多，這便使得多振型減震在高層結(jié)構(gòu)當(dāng)中的效應(yīng)要比多層結(jié)構(gòu)明顯。

3 時域分析

為了說明高層隔震結(jié)構(gòu)的減震機理，可以設(shè)想:以基底剪力作為研究對象，逐次疊加上高階振型，若其減震率有較大的提高，則說明高階振型的減震在多振型減震中的權(quán)重不可忽視，也就說明了高層隔震的“多振型減震”機理。

表7 Elcentro波下的A工程各階振型加速度反應(yīng)譜Tab.7 Acceleration spectrum of each mode of A project under Elcentro seismic action

表8 Elcentro波下B工程的各階振型加速度反應(yīng)譜Tab.8 Acceleration spectrum of each mode of B project under Elcentro seismic action

仍以 A、B兩個工程為例，對其輸入Elcentro波、Tarzana波和人工波，峰值調(diào)至400 gal(8度罕遇)。將隔震層的運動視為一種地震動，并將三種地震波以及在上文的“頻域分析”中提取到的三種隔震層時程輸入到原抗震結(jié)構(gòu)中，作圖5和圖6對比其X方向基底最大剪力(包含正負(fù)兩個方向)減震率。減震率的計算方法是:(原抗震結(jié)構(gòu)基底最大剪力－隔震結(jié)構(gòu)最大剪力)/原抗震結(jié)構(gòu)基底最大剪力×100%。

從圖5中可以看出，對于高層隔震結(jié)構(gòu)，隨著高階振型的疊加，無論正向還是負(fù)向的基底最大剪力的減震率都有較大的提高，尤其是從前3階到前6階較為明顯，而后的高階振型由于振型質(zhì)量參與系數(shù)的下降，減震率的變化不是很明顯，而對于多層結(jié)構(gòu)，從圖6中可以看出，疊加上高階振型后，減震率變化不大，且隨著高階振型的疊加，減震率幾乎都出現(xiàn)了不同程度的下降。

4 結(jié)論

在高層隔震結(jié)構(gòu)中，高階振型反應(yīng)譜加速度的減少量相對于第一階振型反應(yīng)譜加速度的減少量要大很多，而在多層結(jié)構(gòu)中，高階振型的減少量與第一階振型差不多。高層隔震結(jié)構(gòu)與多層隔震結(jié)構(gòu)在減震機理上的差別是:多層隔震結(jié)構(gòu)的高階振型減震效應(yīng)很小，且以第一振型減震為主，而高層隔震結(jié)構(gòu)存在較大的高階振型減震的效應(yīng)，從而產(chǎn)生了其多振型減震的效應(yīng)。

［1］ GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］，2010.

［2］ 日本建筑學(xué)會.隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.劉文光譯.北京:地震出版社，2006.

［3］ 劉文光，閆維明，霍 達(dá)，等.塔型隔震結(jié)構(gòu)多質(zhì)點體系計算模型及振動臺試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2003，36(5):64－70.

［4］ 王鐵英，王煥定，劉文光，等.大高寬比橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究(1)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，(2):2060－2064.

［5］ 王鐵英，王煥定，劉文光，等.大高寬比橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究(2)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，(2):196－200.

［6］ 付偉慶，王煥定，劉文光，等.LRB隔震結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗研究(1)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39(2):201－205.

［7］ 付偉慶，王煥定，劉文光，等.LRB隔震結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗研究(2)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39(4):521－524.

［8］ 劉文光，楊巧榮，周福霖.大高寬比隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的實用分析方法［J］.地震工程與工程振動，2004，(4):116－121.

［9］ 付偉慶，王煥定，丁 琳，等.規(guī)則型高層隔震結(jié)構(gòu)實用設(shè)計方法研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，(10):1542－1545.

［10］ 呂西林.高層建筑結(jié)構(gòu)［M］.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000.