黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構振動臺試驗研究

金建敏，譚平，陳鵬，黃襄云，陳建秋

（廣州大學工程抗震研究中心，廣州510405）

黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構振動臺試驗研究

金建敏，譚平，陳鵬，黃襄云，陳建秋

（廣州大學工程抗震研究中心，廣州510405）

層間隔震結(jié)構是基礎隔震結(jié)構的發(fā)展與延伸，作為一種復雜結(jié)構體系，基礎隔震結(jié)構的工作機理不一定完全適合，延長結(jié)構的周期可能無法同時降低上、下部結(jié)構的地震響應。此類體系以往的理論及試驗研究，隔震層的阻尼多由鉛芯橡膠支座提供，采用天然橡膠支座及黏滯阻尼器作為隔震層，進行了層間隔震結(jié)構振動臺試驗研究。設計了一個4層的鋼框架模型，依次進行了基礎固接、基礎隔震、1層頂隔震、2層頂隔震及3層頂隔震的振動臺試驗研究，測定結(jié)構的加速度、層間位移及層剪力系數(shù)。試驗結(jié)果表明：黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構具有良好的減震效果。建立了層間隔震結(jié)構的有限元模型，將有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比。

層間隔震結(jié)構；天然橡膠支座；黏滯阻尼器；振動臺試驗；有限元分析

Key works：Mid-story isolation；Linear natural rubber bearing；Viscous dampers；Shaking table test；Finite element analysis

0 引言

作為被動控制技術的分支，隔震技術因其在歷次大地震中的卓越表現(xiàn)，成為目前應用最廣泛的一項結(jié)構減震技術[1]。特別是我國5.12汶川大地震后，隔震技術的優(yōu)越性也逐步被工程界所認識和接受，目前，隔震技術的主要應用為基礎隔震，即隔震層設在基礎頂面或地下室底部。層間隔震體系是在基礎隔震體系的基礎上發(fā)展而來的復雜結(jié)構體系，隔震層設在地下室頂部或地面以上的樓層，其振動特性同時受到隔震層以上的上部結(jié)構及下部結(jié)構的影響。層間隔震結(jié)構的研究主要在日本與我國，小林正人，洪忠憙等以上、下結(jié)構質(zhì)量比及屈重比為指標對一15層的層間隔震結(jié)構的振動特性及地震響應的影響進行了研究，研究表明，該結(jié)構存在最優(yōu)質(zhì)量比及屈重比[2]；小野三千代、寺本隆幸對一10層隔震模型（四層頂層間隔震）進行了隔震支座的應力變化范圍的分析，以考察層間隔震結(jié)構由于隔震支座過大的拉應力導致上部結(jié)構傾覆的問題[3]。2000年開始，周福霖等對北京通惠家園進行了層間隔震研究。通惠家園住宅小區(qū)建在北京地鐵平臺上（2層、鋼筋混凝土框架），隔震層設置于大平臺頂部與上部9層住宅之間，平臺上部的九層住宅水平地震作用由8度降為7度；下部平臺結(jié)構的基底剪力也下降20%以上，既提高了上部結(jié)構的抗震安全性，又減少了對下部平臺結(jié)構的地震作用[4、5]。黃襄云及祁皚分別采用鉛芯橡膠支座進行了層間隔震振動臺試驗[6、7]。既往研究的隔震層的阻尼多由鉛芯橡膠支座提供，對于隔震層阻尼由黏滯阻尼器提供的相關研究相對較少。

1 模型設計及隔震裝置介紹

設計一個4層的鋼框架模型，該鋼框架由1個1層模型（有柱腳拉梁）、1個1層模型（無柱腳拉梁）、1個2層模型（無柱腳拉梁）構成。通過這三個模型的組裝進行基礎固接及隔震層分別設置在1層底、1層頂、2層頂、3層頂?shù)恼駝优_試驗研究，組裝后的鋼框架為四層模型，平面尺寸為1×1.6 m，層高為1 m，梁、柱截面尺寸均為HW100× 100×6×8mm(高×寬×腹板厚×翼緣厚），樓板采用12 mm厚的鋼樓板，該模型X向高寬比為4。隔震層采用4個直徑為90 mm的天然橡膠支座（LNR90，橡膠剪切彈性模量為0.392 MPa，內(nèi)部橡膠15×1.2mm，實測的豎向剛度，等效剛度均值分別為157 kN/mm，0.155 kN/mm）；2個隔震用黏滯阻尼器（設計黏滯阻尼系數(shù)C為4 550N/（m·s-1）α，α=0.3，設計最大阻尼力為287 kg，最大行程為± 50 mm，分別以0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、2.5 Hz頻率，進行了±20mm行程的測試，根據(jù)實測數(shù)據(jù)對黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)進行了調(diào)整，見圖1，實測的黏滯阻尼系數(shù)C為4 700 N/（m*s-1）α。表1為模型與原型的相似關系。模型結(jié)構自重為2 465kg，根據(jù)振動臺的承載能力，取模型各層配重為2 420 kg，模型配重共5層，其中4層采用混凝土塊，隔震層采用鉛塊（高度限制，無法采用混凝土塊）。

圖1 阻尼器阻尼系數(shù)Fig.1 Damping coefficientof viscous dampers

表1 相似關系Table 1 Sim ilarity relation

2 振動臺試驗

2.1試驗工況及量測系統(tǒng)布置

進行了黏滯阻尼器層間隔震模型（為簡潔表達，將天然橡膠支座+黏滯阻尼器層間隔震模型簡稱為黏滯阻尼器層間隔震模型）的振動臺試驗，分為基礎隔震、1層頂隔震、2層頂隔震及3層頂隔震；圖2～4為振動臺試驗時的模型。輸入地震波為El Centro NS波、Taft EW波及兩條與抗震規(guī)范加速度反應譜相吻合的人工波（場地特征周期為0.4 s），輸入加速度峰值為0.2 g及0.408 g（8度設防烈度地震及罕遇地震），輸入方向為X向。使用丹麥產(chǎn)傳感器測定各層加速度和位移，布置在各層的中心點。在隔震模型試驗時，在隔震層布置了2個激光傳感器（分別沿X向布置在模型的對角點），用于測定X向隔震層層間位移，采用4個日本產(chǎn)三維力傳感器，測定隔震支座在地震作用下的三向力變化情況。

圖2 基礎固接Fig.2 Fixed-base

圖3 基礎隔震Fig.3 Base Isolation

圖4 2層頂隔震Fig.4 Isolated on the top of the second story

2.2動力特性

表2為白噪聲輸入時（0.05 g，0.1～40 Hz），黏滯阻尼器層間隔震模型的X向前三階周期，括號內(nèi)為計算周期，隔震層剛度采用天然橡膠支座的等效剛度。由實測的基礎固接模型周期換算的原型周期為1.143 s，實測的隔震模型周期比橡膠支座等效剛度對應的周期偏短，這是因為：①小變形時橡膠支座等效剛度比100%變形時的剛度偏大；②黏滯阻尼器內(nèi)部氣泡及摩擦產(chǎn)生的內(nèi)部剛度[8]。

2.3加速度反應

圖5給出了8度中、大震輸入時隔震與基礎固接模型加速度包絡圖，由結(jié)果分析可知：

與基礎固接結(jié)構相比，基礎隔震與層間隔震結(jié)構的上部結(jié)構加速度均可以減小。8度中震時，基礎隔震、1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的上部結(jié)構頂層加速度平均值分別為基礎固接結(jié)構的32.6%、46.2%、45.3%、50.4%；8度大震時，基礎隔震、1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的上部結(jié)構頂層加速度平均值分別為基礎固接結(jié)構的21.7%、35.4%、35.0%、43.8%。

表2 模型周期Table 2 Period of the experimentalmodel

圖5 加速度包絡圖圖5 Acceleration response envelope

與基礎固接結(jié)構相比，除El Centro波中、大震及人工波1中震輸入外，單條波輸入及四條波結(jié)果平均后，下部結(jié)構頂層加速度均有所減小。8度中震時，1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的下部結(jié)構頂層加速度平均值分別為基礎固接結(jié)構的70.9%、96.6%、89.5%；8度大震時，1層頂隔震、2層頂隔震、3層頂隔震的下部結(jié)構頂層加速度平均值分別為基礎固接結(jié)構的82.8%、92.5%、86.3%；下部結(jié)構加速度減震效果受到地震波幅值、頻譜特性、隔震層的位置、隔震前結(jié)構特性等因素的

2.4層間位移反應

表3為隔震前后的各層最大層間位移角，表4為隔震層最大層間位移。8度中震時，基礎固接模型最大層間位移角為1/168，各種隔震型式模型最大層間位移角為1/335。8度大震時，基礎固接模型最大層間位移角為1/97，各種隔震型式模型最大層間位移角為1/198。與基礎固接模型對比，隔震后模型的最大層間位移角均有所減少，基礎固接模型在8度中震時即已進入彈塑性，層間位移角超過《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）的1/ 250的彈性層間位移角限值。8度大震輸入時，基礎固接模型的最大層間位移角已超過1/100，而隔震模型的最大層間位移角接近1/200，隔震效果明顯。從隔震層層間位移可見，隔震模型的隔震層層間位移明顯大于其它層，結(jié)構的變形主要集中在隔震層，隔震層層間位移受到地震波幅值、頻譜特性的影響，隨隔震層位置的上移變化較?。ㄋ臈l波平均后）。

2.5層剪力系數(shù)

8度中震、大震時，隔震模型與基礎固接模型的層剪力系數(shù)的比值見表5，從層剪力系數(shù)的比值可見，與基礎固接模型相比，隔震層位置不同的隔震模型，層剪力系數(shù)均得到有效降低，基礎隔震效果顯著，隨著隔震層位置的提高，上、下部結(jié)構的層剪力系數(shù)比值的整體平均值均呈現(xiàn)提高的趨勢。

表3 層間位移角（1/rad）Table 3 M aximum story drift angle（1/rad）

表4 隔震層最大層間位移（mm）Table 4 M aximum story displacement of isolation layer（mm）

3 有限元分析與試驗結(jié)果對比

采用SAP2000建立天然橡膠支座+黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構的三維有限元模型，黏滯阻尼器模型采用Maxwell模型。有限元分析采用8度大震X向輸入Taft波和人工波1時臺面響應的值作為輸入波，表6為有限元分析和試驗的隔震層最大層間位移對比，圖6為人工波1部分工況的加速度時程、隔震層層間位移時程對比。分析結(jié)果與試驗結(jié)果比較，實測加速度偏大，誤差在25%以內(nèi)；隔震層最大層間位移誤差較小。比較可見，有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

本文采用天然橡膠支座及黏滯阻尼器作為隔震層，對層間隔震模型結(jié)構進行了振動臺試驗研究及有限元分析，主要結(jié)論為：

（1）天然橡膠支座+黏滯阻尼器層間隔震可明顯降低隔震前周期為1 s左右結(jié)構的地震響應。

表5 層剪力系數(shù)的比值Table 5 The ratio of story shear force coefficient

表6 隔震層最大層間位移對比（mm）Table 6 Comparison of themaximum story displacement of isolation layer（mm）

圖6 時程對比Fig.6 Comparison of time-history

（2）與基礎固接結(jié)構相比，除部分地震波輸入時下部結(jié)構的加速度外，隔震結(jié)構的加速度、層間位移及層剪力系數(shù)等地震響應均得到有效降低，基礎隔震效果最為顯著，隨著隔震層位置的提高隔震效果降低，尤其是隔震層位于結(jié)構中上部的3層頂隔震，隔震效果較差。

（3）有限元分析與試驗結(jié)果對比表明，加速度峰值有較好的近似，隔震層最大層間位移誤差較小，時程曲線吻合較好。

采用天然橡膠支座及黏滯阻尼器作為隔震層的層間隔震結(jié)構可起到降低結(jié)構地震響應的作用，但采用該類隔震層，應另設置抗風裝置以起到抗風的作用。

[1]周福霖.工程結(jié)構減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[2]小林正人，洪忠熹ほか.中間層免震建物の振動特性と地震応答性狀[C]//日本建築學會大會學術講演梗概集，2000，B-2（9）：551-552.

[3]小野三千代，寺本隆幸.中間層免震建物における免震層の軸方向変動[C]//日本建築學會大會學術講演梗概集，2002，B-2（8）：451-452.

[4]Tan P.，Zhou F.L，Xu Z.G.Design and application examples of public and regular apartment buildings using a new isolation system in P.R.China[C]//Proceedings of the7th International Seminar Assisi，Italy，2001（1）：702-707.

[5]徐忠根，周福霖.底部二層框架上部多塔樓底隔震數(shù)值模擬與試驗研究[J].地震工程與工程振動，2005，25（1）：126-132.

[6]Xiangyun Huang，F(xiàn)ulin Zhou，Sheliang Wang，et al. Experimental Investigation on Mid-Story Isolated Structures[C]//The 2011 International conference on Structures and Buildings Materials，Guangzhou，P.R. China，2011（1）：4 014-4 021.

[7]祁皚，鄭國琛，閻維明.考慮參數(shù)優(yōu)化的層間隔震結(jié)構振動臺試驗研究[J].建筑結(jié)構學報，2009，30（2）：8-16.

[8]日本隔震結(jié)構協(xié)會編，蔣通，馮德民譯校.被動減震結(jié)構設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Shaking Table Test Study on M id-story Isolation Structures w ith Viscous Dam pers

JIN Jianmin，TAN Ping，CHEN Peng，HUANG Xiangyun，CHEN Jianqiu

（Earthquake Engineering Research&TestCenter，Guangzhou University，Guangzhou 510405，China）

Mid-story isolation structure is developing from base isolation structures.As a complex structural system,the work mechanism of base isolation structure is not entirely appropriate for mid-story isolation structure,and the prolonging of structural natural period may not be able to decrease the seismic response of substructure and superstructure simultaneously.In the previous theoretical and experimental studies,the damping of isolation layer wasmostly provided by lead rubber bearings.In this paper,using natural rubber bearings and viscous dampers as the isolation layer，the shaking table test for amid-story isolation structure was conducted. For a four-story steel frame model,the locations of isolation layer are set at bottom of the first story,top of the first story，top of the second story or top of the third story in turn.Changing the location of isolation layer, acceleration，story displacement and story shear force coefficientweremeasured.The results show thatmid-storyisolation with viscous dampers has a good seismic reduction effectiveness．The finite elementmodel of amid-story isolation system was established，and the comparison between the finite element analysis results and test results was conducted．

TU352.12

A

1001-8662（2016）04-0091-06

10.13512/j.hndz.2016.04.014

金建敏，譚平，陳鵬，等.黏滯阻尼器層間隔震結(jié)構振動臺試驗研究[J].華南地震，2016，36（4）：91-96.[JIN Jianmin，TAN Ping，CHEN Peng，et al.Shaking Table Test Study on Mid-story Isolation Structures with Viscous Dampers[J].South china journal of seismology，2016，36（4）：91-96.]

2016-08-26

國家自然科學基金（51468050）、國家自然科學基金（51478131）、廣州市高校科研重點項目（1201610135）

金建敏（1973-），男，高工，博士，主要從事隔震、抗震研究.

E-mail：jinjianmin152@aliyun.com.