復(fù)雜博物館隔震結(jié)構(gòu)地震模擬振動臺試驗(yàn)研究

劉 陽,劉文光,何文福,楊巧榮

(上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072)

博物館結(jié)構(gòu)屬于一個(gè)國家或地區(qū)的標(biāo)志性建筑，其建筑結(jié)構(gòu)形式通常較為復(fù)雜，因此如何保證此類結(jié)構(gòu)在地震中的安全性是亟需解決的問題。隔震是一種以延長結(jié)構(gòu)周期及耗散能量的振動控制方式，試驗(yàn)和理論研究都表明隔震結(jié)構(gòu)是一種比較理想的減震結(jié)構(gòu)體系[1-3]，為了判明博物館隔震結(jié)構(gòu)的動力特性、地震反應(yīng)及其在強(qiáng)震作用下的損傷機(jī)理與破壞模式，對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究是必要的。

為研究復(fù)雜博物館隔震結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，對云南省昆明博物館新館開展了振動臺試驗(yàn)研究。研究該結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下的動力特性變化情況; 測試隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)在多遇、罕遇地震作用下的位移和加速度反應(yīng); 量測隔震層的受力變形響應(yīng)和整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

1 原型結(jié)構(gòu)概況

云南省昆明博物館新館為云南省重點(diǎn)工程之一，該項(xiàng)目位于昆明市廣福路西北側(cè)，新寶象河?xùn)|南側(cè)。該工程設(shè)計(jì)的使用年限為100年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性性系數(shù)為1.1。文獻(xiàn)[4]可知，工程所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，基本加速度值為0.20 g，按9度抗震構(gòu)造措施設(shè)防。

圖1 原型結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)建筑面積約4.7萬平方米，主體建筑平面尺寸為104 m×140 m，自室外場地最低點(diǎn)起算，建筑總高為37.40 m,其中室外場地為-5.150 m,地下1層層高為5.0 m,1～3層的層高為7.60 m,4～5層的層高為3.80 m，屋架高度為2.6 m。結(jié)構(gòu)部分柱采用型鋼混凝土柱,1～3層為型鋼混凝土框架和鋼管支撐體系,4～5層為混凝土框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)模型軸網(wǎng)定位如圖1(a)所示。原結(jié)構(gòu)1～3層設(shè)40 m×40 m大跨度中庭，在中庭上部設(shè)置鋼桁架頂棚，部分鋼桁架下設(shè)3層懸掛層，鋼桁架和懸掛系統(tǒng)稱為“金玉滿堂”,如圖1(b)所示。該結(jié)構(gòu)有三處超限：一是樓板不連續(xù)。樓板在二、三、四層南北方向最小有效寬度僅為該層樓板寬度的39.7%，東西方向?yàn)?7.2%，在第五層南北方向?yàn)?3.8%，東西方向?yàn)?1.8%，在屋面層南北方向?yàn)?7.6%，東西方向43.4%，屬于平面不規(guī)則類型；二是豎向構(gòu)件不連續(xù)。軸線(H)/(2)和(D)/(13)位置的框架柱自第四層樓面起，無向上延伸，在相鄰位置設(shè)置托柱，屬于豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)；三為大懸挑。建筑地下一層～四層周圈均外挑6 m，二層觀景平臺外挑8 m，二、三、四層中庭外挑4 m，屬于大懸挑構(gòu)件。

2 振動臺試驗(yàn)概況

對博物館隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬振動臺試驗(yàn)，制作了幾何相似比為1/30的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2(a)為建筑效果圖，圖2(b)為模型結(jié)構(gòu)三維圖。

2.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)要求和試驗(yàn)條件，試驗(yàn)中對人工質(zhì)量模擬的彈塑性模型進(jìn)行改進(jìn)，取Sa=2.871，SE=1/4，采用人工質(zhì)量滿足質(zhì)量相似要求。由于云南省博物館新館隔震結(jié)構(gòu)由剛度和強(qiáng)度控制，因此模型結(jié)構(gòu)的模擬重點(diǎn)在于保證結(jié)構(gòu)的剛度相似的同時(shí)，兼顧強(qiáng)度相似。振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票热?/30，在《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101—96)的要求范圍(1/100～1/15)之內(nèi)[5]。模型總高1.860 m,總重量199 kN。其他參數(shù)根據(jù)量綱推出，數(shù)值見表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭恿ο嗨脐P(guān)系

原型結(jié)構(gòu)隔震層采用了166個(gè)橡膠隔震支座，為控制橡膠隔震支座的尺寸效應(yīng)，考慮到直徑100型的橡膠隔震支座能較好模擬原型支座的性能和變形要求，模型結(jié)構(gòu)采用采用了9個(gè)鉛芯橡膠隔震支座(LRB100)，隔震層參數(shù)設(shè)計(jì)值能較好滿足相似關(guān)系。隔震支座平均壓應(yīng)力為2.82 N/mm2。支座的剪切模量G為0.55 N/mm2，鉛芯直徑為14 mm，橡膠層總厚度為14.3 mm。試驗(yàn)測得隔震層屈服強(qiáng)度為7.20 kN,屈服后剛度為2.673 kN/mm。隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)對比見表2。

表2 隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

注：測試參數(shù)值為支座剪切變形100%時(shí)結(jié)果。

原型結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)時(shí)將隔震層設(shè)置在地下1層與地下2層之間，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)則設(shè)置在地下1層，然后在支座下部連接三向力傳感器，并將其固定在臺面上。試驗(yàn)主要考察隔震層及上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，支座以下部分假定為剛體，沒有考慮地下2層及樁土對上部結(jié)構(gòu)及隔震層的影響，因此模型設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮隔震層以下部分。模型的第1層為原型結(jié)構(gòu)的地下室1層,模型的第2～6層對應(yīng)原型結(jié)構(gòu)的第1～5層，沒有模擬屋頂構(gòu)造框架。

2.2 模型制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟x用的材料包含微?；炷?、鐵絲及紫銅，其中模型型鋼柱和型鋼梁用紫銅制作，樓板及其他梁柱用微?；炷林谱?，材料為水泥沙漿。水泥為525號硅酸鹽水泥，砂為細(xì)砂，水灰比為0.6～0.7。金玉滿堂桁架采用細(xì)銅管模擬，懸掛層頂部與桁架連接為鉸接，懸掛層鉸接連接使用短鋼絞線連接模擬，懸掛層每一層則固定于結(jié)構(gòu)層上，如圖2(c)所示。模型微?；炷翉椥阅Ａ繙y得為1.7×104N/mm2，微?；炷亮⒎襟w試塊(尺寸70.5 mm×70.5 mm×250 mm)的強(qiáng)度測試結(jié)果為13 N/mm2。模型鋼筋采用回火鍍鋅鐵絲。根據(jù)剛度條件選用直徑為22#～8#等多種規(guī)格。根據(jù)模型和原型按強(qiáng)度相似和配筋率相似原則進(jìn)行模型配筋，并滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求。模型澆筑在鋼筋混凝土底座上，柱的鋼筋與底座鋼筋固定連接。底座厚0.12 m，底座上預(yù)埋連接板，用螺栓與隔震支座連接。預(yù)埋連接板接觸面要求平整，位置準(zhǔn)確，使模型在安裝就位時(shí)螺栓能順利擰入。底座四角設(shè)起吊用的錨鉤，模型通過4個(gè)倒鏈滑車及專門設(shè)計(jì)的吊裝架用天車起吊就位，倒鏈滑車保證了模型起吊時(shí)的平衡和穩(wěn)定。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D見圖2(b)。

圖2 隔震結(jié)構(gòu)模型

2.3 測點(diǎn)布置

模型試驗(yàn)中共使用39個(gè)壓電式加速度傳感器(23個(gè)為實(shí)驗(yàn)室振動臺系統(tǒng)傳感器，16個(gè)為外接加速度傳感器)，加速度傳感器布置在臺面、隔震層、上部結(jié)構(gòu)各層及金玉滿堂上。使用了15個(gè)ASM拉線式位移傳感器，量程為0～±375 mm,位移傳感器主要布置在隔震層和上部結(jié)構(gòu)各層。共使用7個(gè)三向力傳感器，其中3個(gè)為ESM-100kN型，4個(gè)為YBY型壓力傳感器。三向力傳感器主要測得支座的力學(xué)性能，以分析支座的滯回性能和豎向受力。傳感器安裝示意圖見圖3。

圖3 傳感器布置示意圖

2.4 加載方案

根據(jù)地震記錄選用要求，試驗(yàn)采用一條人工場地安評記錄和三條天然強(qiáng)震記錄作為對模型輸入的臺面激勵。人工場地安評記錄采用安評報(bào)告所提供記錄(簡寫REN)；三條天然強(qiáng)震記錄為1976年唐山地震余震天津醫(yī)院記錄(記為TJ)、1994年美國NORTHRIDGE 地震LWD-DEL AMO記錄(記為LWD)、1940年El Centro-lmp Vall lrr地區(qū)的El Centro記錄(記為EL)。依據(jù)工程設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，先進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)模型按照多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震三個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)。然后除去隔震支座,通過鋼板固定隔震層，進(jìn)行非隔震結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，輸入7度多遇、設(shè)防烈度和罕遇地震動。進(jìn)行兩組試驗(yàn)在不同水準(zhǔn)地震記錄輸入前后對模型進(jìn)行白噪聲掃頻，以測量結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等動力特征參數(shù),分析各試驗(yàn)工況后的模型損傷情況。地震記錄持續(xù)時(shí)間按相似關(guān)系壓縮為原地震記錄的0.133。各水準(zhǔn)地震作用下，臺面輸入加速度峰值均進(jìn)行了調(diào)整，以模擬不同水準(zhǔn)地震作用。試驗(yàn)共完成了85個(gè)工況，限于篇幅僅列出重要的工況結(jié)果。

表3 輸入地震記錄的參數(shù)

三組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬記錄的地震記錄參數(shù)見表3。

3 原型結(jié)構(gòu)動力特性

表4為隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型在白噪聲作用下測得的自振頻率對比。隔震結(jié)構(gòu)模型的各階自振頻率的平均變化率分布為：多遇地震為0%，設(shè)防地震為-1.0%，罕遇地震為-1.2%，可以發(fā)現(xiàn)在多遇地震后結(jié)構(gòu)自振頻率保持不變，設(shè)防地震和罕遇地震后結(jié)構(gòu)自振頻率有略微下降，但減小不超過2%，說明隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震時(shí)保持彈性狀態(tài)，設(shè)防烈度及罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微損傷。非隔震結(jié)構(gòu)模型的各階自振頻率的平均變化率: 多遇地震后為-3.40%，設(shè)防地震后為-7.60%，罕遇地震后為-20.60%，可以發(fā)現(xiàn)在多遇地震后非隔震結(jié)構(gòu)的自振頻率下降較小，設(shè)防地震和罕遇地震后非隔震結(jié)構(gòu)的自振頻率下降較大。

從試驗(yàn)結(jié)果可以得到：① 隔震結(jié)構(gòu)模型的自振頻率在經(jīng)歷多遇、設(shè)防、罕遇地震后基本沒有變化，動力特性穩(wěn)定，而非隔震結(jié)構(gòu)模型在地震后結(jié)構(gòu)特性變化較大,非隔震結(jié)構(gòu)的破損程度要比隔震結(jié)構(gòu)嚴(yán)重; ② 隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用要小于非隔震結(jié)構(gòu)，特別是罕遇地震作用下隔震體系具有明顯抑制扭轉(zhuǎn)作用，而非隔震結(jié)構(gòu)則存在明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)剛度大幅退化。

表4 隔震結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

4 模型動力反應(yīng)

4.1 模型結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

圖4～圖5為多遇地震、罕遇地震單向作用下隔震結(jié)構(gòu)模型與非隔震結(jié)構(gòu)模型的X向和Y向上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)對比結(jié)果。圖中ISO代表隔震結(jié)構(gòu)，F(xiàn)IX代表非隔震結(jié)構(gòu)。

通過比較隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)可知，無論是多遇地震還是罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)上部主體樓層加速度放大系數(shù)均小于1，表明隔震結(jié)構(gòu)能有效降低加速度響應(yīng)。非隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)層加速度呈現(xiàn)倒三角形式，頂層加速度峰值偏大，存在鞭稍效應(yīng)，而隔震結(jié)構(gòu)具有上部樓層加速度分布均勻的特點(diǎn)，說明隔震體系各層最大絕對加速度沿結(jié)構(gòu)分布趨于均勻、鞭稍效應(yīng)受到控制。隔震結(jié)構(gòu)各層加速度反應(yīng)峰值總體上要小于非隔震結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)層加速度得到有效控制,說明該結(jié)構(gòu)通過基礎(chǔ)隔震后達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)峰值加速度比較

圖5 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)峰值加速度比較

圖6 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)峰值加速度比較

4.2 “金玉滿堂”加速度反應(yīng)

金玉滿堂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是桁架結(jié)構(gòu)和懸掛層組成的新型體系，屬于整個(gè)結(jié)構(gòu)附加的體系，懸掛樓層懸掛于桁架屋頂下部，可以增加建筑凈空，同時(shí)減小鋼梁截面積，保證了展廳大空間的功能特點(diǎn)，是十分重要的結(jié)構(gòu)體系[6]，因此需要單獨(dú)分析其地震響應(yīng)特征。圖6為在非隔震結(jié)構(gòu)按7度輸入和隔震結(jié)構(gòu)按8度輸入情況下，多遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)模型與非隔震結(jié)構(gòu)模型的X向和Y向金玉滿堂加速度反應(yīng)對比結(jié)果，圖中樓層“1、-1、-2”分別對應(yīng)金玉滿堂頂部、2頂和3頂(圖1(b))。由圖6可知非隔震時(shí)金玉滿堂結(jié)構(gòu)地震加速度響應(yīng)要大于隔震時(shí)加速度效應(yīng)，且由于懸掛結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小于主體結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”。采用隔震技術(shù)后X和Y向加速度分別降低約88%和78%，說明通過采用隔震技術(shù)可有效降低桁架屋頂及懸掛層加速度地震響應(yīng)。

懸掛結(jié)構(gòu)體系因其連接方式不同其動力特性也有所差別[7-8]，合理設(shè)置連接形式或附加減震裝置可以使其發(fā)揮最佳的減震效果[8]，但由于其豎向剛度及抗側(cè)剛度相對較弱，對其豎向振動舒適性以及與整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)等問題還有待進(jìn)一步深入研究。

4.3 層間位移角反應(yīng)

圖7為非隔震結(jié)構(gòu)在7度地震和隔震結(jié)構(gòu)在8度地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)模型與非隔震結(jié)構(gòu)模型X向?qū)娱g位移角倒數(shù)反應(yīng)結(jié)果對比。隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震作用下，層間最大位移角為1/668，滿足我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于多遇地震下彈性層間位移角限值1/550的要求，達(dá)到“小震不壞”的抗震設(shè)防水準(zhǔn);在8度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/625，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于罕遇地震下彈塑性層間位移角限值1/100的要求，達(dá)到“大震不倒”的抗震設(shè)防水準(zhǔn)。

通過比較隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)樓層層間位移反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在非隔震結(jié)構(gòu)按7度輸入和隔震結(jié)構(gòu)按8度輸入情況下，隔震結(jié)構(gòu)模型與非隔震結(jié)構(gòu)模型X向反應(yīng)整體上一致，說明隔震結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)降低地震烈度一度的目標(biāo)，部分樓層如F1-F2層隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)基本小于非隔震結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了隔震結(jié)構(gòu)的減震效果。由于地震動特性、樓層質(zhì)量及剛度分布差異導(dǎo)致多遇地震下部分樓層如F3-F4層隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)則略大于非隔震結(jié)構(gòu),但整體上仍然具有減小層間變形的效果。

圖7 不同性能水準(zhǔn)下上部結(jié)構(gòu)層間位移角倒數(shù)

4.4 隔震層滯回性能

隔震支座在地震作用下進(jìn)入非線性狀態(tài)形成滯回曲線從而耗散地震能量。如圖8所示為罕遇地震作用下隔震支座的滯回曲線情況，限于篇幅僅列EL地震波作用下鉛芯橡膠支座的滯回曲線?？梢钥闯鲋ё诘卣鹱饔孟虑€飽滿均勻，鉛芯橡膠支座耗能能力較強(qiáng)。

圖8 支座滯回曲線

4.5 隔震層扭轉(zhuǎn)

試驗(yàn)過程中，測得的隔震層扭轉(zhuǎn)反應(yīng)見表5。由扭轉(zhuǎn)反應(yīng)結(jié)果可知，X向最大扭轉(zhuǎn)角均值在8度多遇地震作用下為1/6215，在8度設(shè)防烈度地震作用下為1/4 208，在8度罕遇地震作用下為1/3016；Y向最大扭轉(zhuǎn)角均值在8度多遇地震作用下為1/5700，在8度設(shè)防烈度地震作用下為1/2389，在8度罕遇地震作用下為1/1 482。X向結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)要小于Y向，X向扭轉(zhuǎn)剛度大于Y向。隨著地震作用的加大，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)逐漸放大。同時(shí)也說明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨著構(gòu)件進(jìn)入彈塑性的程度也在逐漸發(fā)生變化，而由此引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)放大應(yīng)引起重視。

表5 各工況下隔震層扭轉(zhuǎn)角

5 結(jié) 論

對云南省博物館結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔震和非隔震振動臺模型試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果對比分析，得出如下結(jié)論:

(1)隔震結(jié)構(gòu)的自振頻率為非隔震結(jié)構(gòu)的47%左右， 基礎(chǔ)隔震延長了結(jié)構(gòu)的自振周期從而降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。隔震結(jié)構(gòu)在遭遇8度罕遇地震后，結(jié)構(gòu)自振頻率下降1.2%，結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)輕微損傷; 非隔震結(jié)構(gòu)遭遇7度罕遇地震后，結(jié)構(gòu)自振頻率下降20.6%，結(jié)構(gòu)發(fā)生剛度退化并進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，局部發(fā)生破壞。

(2)隔震結(jié)構(gòu)體系(8度多遇、罕遇)的上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)要比非隔震結(jié)構(gòu)(7度多遇、罕遇)?。唤Y(jié)構(gòu)鞭稍效應(yīng)得到有效控制；隔震結(jié)構(gòu)在8度多遇、罕遇地震作用下的最大層間位移角符合規(guī)范規(guī)定。

(3)在不同水準(zhǔn)地震波作用下，隔震層支座的剪切變形滿足規(guī)范要求；滯回曲線均勻飽滿，說明其具有良好的耗能能力。

(4)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)要小于非隔震結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)隔震對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)有一定的控制作用。

(5)隔震結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)基本合理，隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下仍然具有一定承載能力儲備，可以實(shí)現(xiàn)“大震不倒”設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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