高層隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的幾個(gè)特殊問(wèn)題

劉 璐 周 穎

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

1 引言

一些新型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，在理論分析還不完善或者超出了設(shè)計(jì)規(guī)范要求的情況下，往往需要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其抗震性能做合理的評(píng)估。建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理和破壞模式、評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)整體抗震能力和衡量減震、隔震效果的重要手段和方法［1］。因此，近年來(lái)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)逐漸成為高校研究和復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中廣泛采用的方法，它可以很好地輸入實(shí)際及人工地震波、再現(xiàn)地震全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，探尋結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，是在試驗(yàn)室中研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接方法［2］。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)處于試驗(yàn)的階段，它直接決定著抗震試驗(yàn)?zāi)康哪芊耥樌麑?shí)現(xiàn)，是整個(gè)抗震試驗(yàn)成功的關(guān)鍵［2］。本文總結(jié)了隔震振動(dòng)臺(tái)模型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以供類(lèi)似設(shè)計(jì)時(shí)參考，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 工程概況及試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本文以四川省西昌市某酒店項(xiàng)目(高層隔震結(jié)構(gòu))為研究對(duì)象，該酒店建筑總高度為58．3 m(不計(jì)入隔震層)，地下1層、隔震層1層、地上16層，采用框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系及基礎(chǔ)隔震技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。該結(jié)構(gòu)的三維模型如圖1所示。西昌市位于高烈度區(qū)，抗震設(shè)防烈度9度(0．4 g)，設(shè)計(jì)地震分組第二組，II類(lèi)場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0．4 s。隔震層以上結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為按照抗震設(shè)防烈度8度(0．20 g)，即比原設(shè)計(jì)降低一度。經(jīng)反復(fù)計(jì)算調(diào)試，該隔震結(jié)構(gòu)［3］的隔震層最終布置見(jiàn)圖2，在柱下及剪力墻下30個(gè)位置對(duì)稱(chēng)布置鉛芯橡膠隔震支座，共使用46個(gè)LRB800及LRB900支座。該隔震結(jié)構(gòu)的屈重比為0．024，X 向、Y 向偏心率為0．29%、0．28%。經(jīng)計(jì)算分析得到設(shè)防烈度下隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震前后，結(jié)構(gòu)層間剪力比值的平均值和結(jié)構(gòu)層間傾覆力矩比值的平均值的最大值為0．370，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)［4］第 12．2．5條，可以確定經(jīng)隔震設(shè)計(jì)以后該結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)最大值為 αmax1=β·αmax/φ=0．370×0．32/0．8=0．148，滿(mǎn)足隔震后上部結(jié)構(gòu)降一度的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。罕遇地震下隔震層最大水平位移387 mm，小于0．55D=440 mm(D為最小隔震支座直徑，本工程采用最小隔震支座直徑為800 mm)及3Tr=444 mm(Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度)中的較小值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖1 高層隔震結(jié)構(gòu)三維模型圖Fig．1 3-D model of the high-rise isolated building

為了確保該結(jié)構(gòu)隔震的安全性和可靠性，擬對(duì)該高層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。測(cè)定結(jié)構(gòu)的模態(tài)，測(cè)量隔震層的位移及上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移和變形，確定薄弱部位;研究該隔震結(jié)構(gòu)分別在9度多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的位移、加速度反應(yīng)和破壞情況，以檢驗(yàn)該結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足不同水準(zhǔn)的抗震要求，驗(yàn)證隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖2 隔震支座編號(hào)及布置示意圖Fig．2 Number and layout of isolator

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨圃O(shè)計(jì)概述

模型設(shè)計(jì)首先需要明確試驗(yàn)的具體目的和要求，針對(duì)所研究的對(duì)象、現(xiàn)有試驗(yàn)條件，確定可控的相似常數(shù);根據(jù)相似關(guān)系，確定其他相似常數(shù);選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ椭谱鞑牧希_定模型尺寸及配筋，繪制模型施工圖［5－6］。本文以隔震層及其以上部分作為研究對(duì)象，試驗(yàn)主要考察隔震層及其上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，故在該結(jié)構(gòu)隔震模型設(shè)計(jì)制作時(shí)，未考慮隔震層以下地下室部分。

3．1 模型相似關(guān)系

模型設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的是正確地確定模型與原型之間的相似關(guān)系。目前振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中常用的實(shí)用設(shè)計(jì)方法為:根據(jù)方程分析法和量綱分析法得出結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題物理量相似常數(shù)需滿(mǎn)足的相似要求即式(1)，再根據(jù)似量綱分析法，求出其余的相似常數(shù)［6］。

在相似關(guān)系的諸多參數(shù)中需要先確定3個(gè)基本參數(shù)，其他相似系數(shù)可由這3個(gè)參數(shù)推導(dǎo)而得。為使縮尺后的模型高度及平面尺寸滿(mǎn)足試驗(yàn)室制作場(chǎng)地要求，本試驗(yàn)首先確定幾何相似比為1/15。其次，根據(jù)選用模型材料的特性確定彈性模量相似比，將模型的初步彈性模量相似比確定為0．2。第3個(gè)參數(shù)就是加速度相似比，在動(dòng)力試驗(yàn)中加速度相似比是施加動(dòng)力荷載的主要控制參數(shù)，考慮到振動(dòng)臺(tái)噪聲、臺(tái)面承載力、最大水準(zhǔn)下的地面加速度峰值等因素，加速度相似比確定為1．5?；赟E，Sa，Sl這3個(gè)相似比，可以初步確定其他相似關(guān)系，其他相似關(guān)系具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)相似常數(shù)(上部結(jié)構(gòu))Table 1 The similitude relationship of the model(superstructure)

3．2 模型結(jié)構(gòu)制作

在選取模型材料時(shí)，考慮所選用的材料具有盡可能低的彈性模量和盡可能大的比重，同時(shí)在應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系方面盡可能與原型材料相似［7］。對(duì)于高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，動(dòng)力模型材料一般可由微?；炷?、鍍鋅鐵絲以及鐵絲網(wǎng)組成［8］。微?；炷梁驮突炷烈粯泳哂辛己眠B續(xù)級(jí)配，施工方法、振搗方式和養(yǎng)護(hù)條件都與普通混凝土相同，因而其力學(xué)性能和級(jí)配與原型混凝土具有令人滿(mǎn)意的相似性，可以做到模型開(kāi)裂直至破壞，具有試驗(yàn)現(xiàn)象比較直觀的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)相似關(guān)系，本次試驗(yàn)中微粒混凝土選用M6—M11來(lái)模擬原型C30—C55混凝土。此外，鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋把握構(gòu)件層面的相似原則，依據(jù)抗彎及抗剪能力等效的原則［8］選用不同直徑的鍍鋅鐵絲來(lái)模擬，箍筋采用焊接鐵絲網(wǎng)。

對(duì)于小比例的縮尺模型，模型制作存在一定的難度。為減少模型制作難度，本試驗(yàn)在保證原型結(jié)構(gòu)形式的不變的前提下，對(duì)模型結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化。簡(jiǎn)化時(shí)堅(jiān)持的原則是:結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件不作簡(jiǎn)化，非主要構(gòu)件或復(fù)雜構(gòu)件按強(qiáng)度和剛度相等的原則進(jìn)行簡(jiǎn)化。為使模型制作簡(jiǎn)單可行且確保整體結(jié)構(gòu)性能一致，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后標(biāo)準(zhǔn)層各構(gòu)件的平面布置見(jiàn)圖3，主要的簡(jiǎn)化為:

(1)次梁歸并簡(jiǎn)化:樓面的主次梁構(gòu)件主要作用是承受樓板傳來(lái)的豎向荷載，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)力剛度貢獻(xiàn)較小，在模型設(shè)計(jì)中將部分次梁按剛度等效的原則，折算到樓板中，而部分次梁按照強(qiáng)度等效原則進(jìn)行歸并。

(2)洞口歸一簡(jiǎn)化:實(shí)際結(jié)構(gòu)樓面開(kāi)洞分布較為復(fù)雜，在模型設(shè)計(jì)中對(duì)其進(jìn)行了歸一化處理，對(duì)于一般平面上的小洞口，將其歸并到附近較大的洞口。

由于模型幾何相似比較小，故模型尺寸較小，精度要求較高，因此對(duì)模型制作有較高的要求。結(jié)構(gòu)模型外模采用木模整體滑升，內(nèi)模采用泡沫塑料，泡沫塑料易成型，易拆模，即使局部不能拆除，由于泡沫塑料和混凝土相比，在密度、抗彎模量、抗剪模量方面都很小，對(duì)模型剛度的影響也很小。模型上部框架結(jié)構(gòu)的梁、板、柱均設(shè)計(jì)為逐層現(xiàn)澆，施工中嚴(yán)格控制構(gòu)件尺寸和微粒混凝土的配合比。同時(shí)模型所用材料均進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，實(shí)測(cè)材料性能參數(shù)。模型局部施工圖如圖4所示。

圖3 模型結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位:mm)Fig．3 Layout of the model structure(Unit:mm)

圖4 模型結(jié)構(gòu)局部制作圖Fig．4 Construction of the test model

4 隔震模型設(shè)計(jì)中的幾個(gè)特殊問(wèn)題

隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型設(shè)計(jì)不同于普通結(jié)構(gòu)的模型，重點(diǎn)在于隔震結(jié)構(gòu)存在一個(gè)特殊的隔震層。隔震層如何進(jìn)行相似設(shè)計(jì)，隔震支座如何實(shí)現(xiàn)由實(shí)際結(jié)構(gòu)到模型結(jié)構(gòu)的等效、隔震后模型的周期如何估算以及隔震層各構(gòu)件的如何實(shí)現(xiàn)可靠連接等問(wèn)題都是在隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)把握的幾個(gè)問(wèn)題。本文將以此次模型設(shè)計(jì)為例，闡述以上幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。

4．1 相似關(guān)系

為方便模型的吊裝以及隔震支座與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接，需要在模型結(jié)構(gòu)底部制作一個(gè)剛性較大的底座。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)來(lái)講，剛性底座直接通過(guò)螺栓固定振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，試驗(yàn)中剛性底座對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的結(jié)果影響不大。而對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)來(lái)講，上部結(jié)構(gòu)與底座固定并通過(guò)隔震支座與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面相連接，即隔震層以上不僅包括相似后的上部模型，還包括大質(zhì)量的底座。所以在相似設(shè)計(jì)時(shí)，如何處理底座，以使振動(dòng)臺(tái)上的整個(gè)結(jié)構(gòu)達(dá)到原型的隔震效果這一問(wèn)題尤為重要。在此，本文提出將大質(zhì)量的底座加入上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中，用該總質(zhì)量除以原型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從而得出新的隔震層的質(zhì)量相似常數(shù)，用此質(zhì)量相似常數(shù)，求得隔震層屈服力的相似常數(shù)及剛度相似常數(shù)，以此來(lái)更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)相似等效后的隔震層參數(shù)。

以下以上述工程實(shí)例為例，詳細(xì)闡述隔震層等效過(guò)程。原型模型總質(zhì)量mm=19 845 t，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的相似設(shè)計(jì)參見(jiàn)表1，故相似后上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量mp=11．77 t。因剛性底座質(zhì)量 m底座=4 t，故隔震層以上總質(zhì)量為 m總=15．77 t。

由此求得隔震層的質(zhì)量相似常數(shù):

4．2 隔震層等效

隔震支座的等效是隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題，隔震層等效的成功與否對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的效果起著決定性的作用。原型結(jié)構(gòu)在30個(gè)位置對(duì)稱(chēng)布置了鉛芯橡膠支座，在實(shí)際試驗(yàn)中由于模型隔震支座最小尺寸限制、振動(dòng)臺(tái)的面積及安裝條件的限制，不能實(shí)現(xiàn)隔震支座一一對(duì)應(yīng)的等效，故綜合考慮各種因素，將30個(gè)隔震支座等效成6個(gè)支座，對(duì)稱(chēng)布置于底座下，參考原型結(jié)構(gòu)隔震支座的布置情況，將四個(gè)支座布置于結(jié)構(gòu)的四個(gè)角部，兩個(gè)支座布置于核心筒下，以此來(lái)更好地檢驗(yàn)不同位置處隔震支座的性能，等效后支座的布置情況見(jiàn)圖5。以下以該實(shí)際工程為例介紹隔震層等效過(guò)程。原型結(jié)構(gòu)隔震層信息如下:

根據(jù)抗震規(guī)范［4］12．2．4 條可知，隔震層水平總剛度可由各個(gè)隔震支座的剛度疊加得到，故將上述隔震層的參數(shù)除以隔震支座的數(shù)量，即可得出試驗(yàn)用的每個(gè)隔震支座的剛度參數(shù)，以此為依據(jù)可進(jìn)行隔震支座的參數(shù)設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)加工。

圖5 模型結(jié)構(gòu)隔震支座布置圖(單位:mm)Fig．5 Layout of isolators in the model structure(Unit:mm)

4．3 模型周期估算

不計(jì)阻尼特性，6個(gè)鉛芯橡膠支座形成隔震層的模型結(jié)構(gòu)的周期，即可根據(jù)上述等效后隔震層剛度推算出。

故試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的自振頻率為

從而可以估算出結(jié)構(gòu)的自振周期，即

以此估算周期為依據(jù)，可與以后試驗(yàn)白噪聲掃頻后模型結(jié)構(gòu)實(shí)際周期進(jìn)行參照對(duì)比，以檢驗(yàn)上述周期估算方法的準(zhǔn)確性。

4．4 預(yù)埋件的設(shè)計(jì)

在模型制作之前，首先要進(jìn)行模型底梁澆筑。根據(jù)原型結(jié)構(gòu)的平面尺寸，按照尺寸相似系數(shù)縮小比例，同時(shí)考慮振動(dòng)臺(tái)的尺寸及安裝用螺栓孔的位置，設(shè)計(jì)模型底座，故初步設(shè)計(jì)底座的尺寸為2．54 m ×3．1m ×0．15 m。不同于普通的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)，橡膠支座基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)模型必須預(yù)先考慮到隔震支座與上部及下部結(jié)構(gòu)的有效連接，故需設(shè)計(jì)與隔震支座連接板相對(duì)應(yīng)的預(yù)埋件并加工，見(jiàn)圖6。并且在底梁澆筑前將其固定在未來(lái)隔震支座的相應(yīng)位置，與底座整體澆筑，以便后期與隔震支座的連接。底梁鋼筋及預(yù)埋件在結(jié)構(gòu)中的布置如圖7所示。

圖6 預(yù)埋件示意圖Fig．6 The picture of pre-embedded parts

圖7 底座中預(yù)埋件Fig．7 Pre-embedded parts of the base

此外，考慮到安裝后及試驗(yàn)中隔震支座必須保證整體在同一水平面上，受力均勻。而底梁下部澆筑時(shí)并無(wú)法保證完全平整且每次試驗(yàn)工況后各支座所在位置有可能有微變，故為方便調(diào)整隔震支座的高度位置，可在隔震支座下設(shè)置高度調(diào)節(jié)裝置。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某高層隔震結(jié)構(gòu)為例，介紹了該結(jié)構(gòu)相似關(guān)系的確定及模型的制作等問(wèn)題，并且著重分析了隔震結(jié)構(gòu)不同于普通抗震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)階段的幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題，即隔震層相似關(guān)系的處理，隔震層等效以及模型結(jié)構(gòu)周期的估算以及預(yù)埋件的設(shè)計(jì)等。旨在通過(guò)本文的分析，說(shuō)明在隔震結(jié)構(gòu)在模型設(shè)計(jì)階段有諸多因素值得重視，這些因素直接影響到振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并期望對(duì)今后相關(guān)的試驗(yàn)工作起到一定的借鑒作用。

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