抗拉隔震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗研究

梅夢琴，戴高鵬，劉思聰，朱 剛，溫留漢·黑沙

（1.廣州大學工程抗震研究中心，廣州 510405；2.廣州城建開發(fā)設計院有限公司，廣州 510620）

抗拉隔震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗研究

梅夢琴1，戴高鵬1，劉思聰2，朱 剛1，溫留漢·黑沙1

（1.廣州大學工程抗震研究中心，廣州 510405；2.廣州城建開發(fā)設計院有限公司，廣州 510620）

對一具有抗拉功能的新型疊層橡膠隔震支座抗拉機構(gòu)（簡稱新型抗拉機構(gòu)）進行加工設計，并將加工后的新型抗拉機構(gòu)安裝于一鋼框架結(jié)構(gòu)模型的基礎底部，進行地震模擬振動臺試驗，考查4條地震波作用下的結(jié)構(gòu)反應。對試驗結(jié)果的分析表明：新型抗拉機構(gòu)具有良好的減震效果、耗能性能及抗拉承載力，且其基本力學性能受拉力的影響不大。

高層建筑；隔震支座；抗拉；振動臺試驗

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，高層及超高層建筑頻頻出現(xiàn)?；赘粽鹗且环N簡單有效的減震技術(shù)，已被廣泛用于各種中低層建筑中，并取得了良好的減震效果。近年來，這一技術(shù)又被逐步推廣應用于高層及超高層建筑中[1]。

由于高層及超高層建筑的水平地震力產(chǎn)生的傾覆力矩較大，在強地震動作用下，橡膠隔震支座容易出現(xiàn)受拉現(xiàn)象。當橡膠隔震支座受軸向拉伸時，雖然從外觀上看并無太大損傷，但其內(nèi)部容易形成負壓狀態(tài)而產(chǎn)生許多空孔。研究表明，橡膠隔震支座經(jīng)較大受拉變形后再受壓，其豎向受壓剛度降低為初期剛度的1/2左右[2]，并且在拉應力達到1.5～3.0 MPa時支座抗拉剛度會急劇下降[3]。

橡膠隔震支座受拉問題成為限制隔震技術(shù)在高層及超高層建筑中推廣應用的主要障礙之一。針對現(xiàn)行橡膠隔震支座無法承受拉力的缺陷，目前國內(nèi)已有學者進行了隔震結(jié)構(gòu)高寬比限值方面的理論研究[4-5]，也有少數(shù)學者對具有抗拉功能的隔震支座進行了研究[6-9]。

文獻[6-8]所述的抗拉隔震支座都是通過增加附加裝置來提高支座的抗拉性能，而文獻[9]提出的新型疊層橡膠隔震支座抗拉機構(gòu) （以下簡稱新型抗拉機構(gòu)）通過自身構(gòu)造巧妙地把拉力轉(zhuǎn)化為壓力，利用隔震支座自身良好的抗壓性能來承受拉力。相比較而言，這種方法更加簡單有效。本文在文獻[9]的基礎上，對其提出的新型抗拉機構(gòu)的加工制作進行了探索，并將加工后的新型抗拉機構(gòu)安裝于一鋼框架結(jié)構(gòu)模型的基礎底部，進行地震模擬振動臺試驗，以研究其實際的隔震、抗拉效果。

1 新型抗拉機構(gòu)加工設計

1.1 尺寸設計

對文獻[9]提出的新型抗拉機構(gòu)進行了詳細的尺寸設計，如圖1所示。

1.2 疊層橡膠隔震支座設計

疊層橡膠隔震支座設計參數(shù)見表1。

2 新型抗拉機構(gòu)力學性能測試

振動臺試驗前對所有的新型抗拉機構(gòu)的力學性能進行了測定。現(xiàn)場測試過程如圖2所示。

圖1 尺寸設計示意圖Fig.1 The diagram of dimension design

表1 支座設計參數(shù)Table 1 Design parameters of isolation bearing

圖2 新型抗拉機構(gòu)力學性能測試Fig.2 Mechanical properties test of NTTRIB

2.1 水平力學性能

2.1.1 試驗工況

水平剪切應變試驗時，豎向壓力（100 kN）保持恒定，剪切應變?yōu)棣?100%，加載波形采用正弦波，加載頻率為0.05 Hz，取第3次循環(huán)的試驗值進行計算。

2.1.2 試驗結(jié)果

圖3是各新型抗拉機構(gòu)的力和位移曲線，取第3圈滯回環(huán)進行計算，結(jié)果見表2。

圖3 各新型抗拉機構(gòu)的力和位移曲線Fig.3 The force-displacement curve of each NTTRIB

表2 各新型抗拉機構(gòu)的力學性能Table 2 Mechanical properties of each NTTRIB

2.2 豎向抗壓剛度

2.2.1 試驗工況

豎向荷載施加到100 kN后，按豎向荷載的±30%循環(huán)加載3次，取第3次循環(huán)的軸壓性能。

2.2.2 試驗結(jié)果

取第3循環(huán)的試驗數(shù)據(jù)，通過計算可得各新型抗拉機構(gòu)的豎向抗壓剛度分別為：75.167 kN/mm、 70.757 kN/mm； 88.520 kN/mm、 96.021 kN/mm。

3 模型結(jié)構(gòu)振動臺試驗

鋼框架結(jié)構(gòu)模型的詳見文獻 [10]，二者所用模型為同一模型，圖4為安裝有新型抗拉機構(gòu)（有控）的結(jié)構(gòu)模型。試驗時，考慮到三向力傳感器的量程，只在結(jié)構(gòu)模型長跨方向即Y向（高寬比為2.5）輸入地震動。由白噪聲試驗測得模型結(jié)構(gòu)在有控和無控狀態(tài)下的基頻分別為2.38 Hz、4.84 Hz。由此可見，結(jié)構(gòu)模型隔震后的周期延長一倍左右，從而將大大減小結(jié)構(gòu)模型的地震反應。

圖4 安裝有新型抗拉機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structure model with new-type tensile-resistant isolation bearing

3.1 試驗加載工況

根據(jù)試驗需要，選取4條地震記錄作為地震模擬振動臺的臺面輸入，各條波的詳細信息列于表3。模型結(jié)構(gòu)在有控和無控狀態(tài)下的試驗工況相同，如表4所示。

表3 地震波信息Table 3 Seismic information

表4 試驗工況Table 4 Test cases

3.2 試驗結(jié)果及分析

3.2.1 加速度反應

表5是不同地震波在不同峰值加速度下，結(jié)構(gòu)模型頂層比臺面及底層比臺面的加速度比值，表6是不同地震波在不同峰值加速度下，結(jié)構(gòu)模型頂層的加速度最大反應，圖5是加速度峰值為0.3 g時在各種地震波作用下結(jié)構(gòu)模型的加速度反應包絡圖。

從表5、表6可以看出：在El Centro波、Taft波及Landers波作用下，有控時結(jié)構(gòu)模型頂層與臺面、底層與臺面的加速度比值都小于無控時模型結(jié)構(gòu)相應的加速度比值，且結(jié)構(gòu)模型頂層的加速度最大值也都小于無控時結(jié)構(gòu)模型頂層的加速度最大值 （Taft波下個別情況除外），說明新型抗拉機構(gòu)起到良好的減震效果；在Kobe波作用下情況恰好相反，這是因為Kobe波作用下結(jié)構(gòu)模型的周期與地震波的卓越周期相近，使得結(jié)構(gòu)模型各層的加速度被明顯的放大。

從圖5可以看出：在不同地震波作用下（Kobe波除外），有控時結(jié)構(gòu)模型各層的加速度最大反應相較無控時明顯地減小，其中頂層最大加速度分別比無控時減少了20.84%、40.88%、26.50%，減震效果明顯；而在Kobe波作用下，有控時頂層最大加速度比無控時增加了10.71%，這與前面結(jié)論相符。

表5 不同峰值加速度的地震作用下結(jié)構(gòu)模型的加速度比值Table 5 Acceleration ratio of structure model under different peak acceleration seismic

圖5 加速度峰值為0.3g時結(jié)構(gòu)加速度包絡圖Fig.5 The envelope diagram of acceleration under the acceleration peak of 0.3g

3.2.2 位移反應

表7是有控狀態(tài)下結(jié)構(gòu)模型各層的層間位移最大值。從表7可以看出，結(jié)構(gòu)模型的變形主要集中于隔震層。 《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）（以下簡稱 《規(guī)范》）規(guī)定：多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值1/250[11]，即彈性層間位移限值為3.2 mm（結(jié)構(gòu)模型層高800 mm）。從表6可以看出：加速度峰值為0.3g時，在El Centro波、Taft波及Landers波作用下，結(jié)構(gòu)模型處于彈性范圍內(nèi)，而在Kobe波作用下，由于結(jié)構(gòu)反應被放大的緣故層間位移明顯超過彈性層間位移限值，結(jié)構(gòu)模型開始進入塑性變形階段；加速度峰值為0.4 g時，在El Centro波作用下，結(jié)構(gòu)模型第4層層間位移為3.54 mm，超過彈性層間位移限值的3.2mm，在其他波作用下結(jié)構(gòu)模型仍能處于彈性范圍內(nèi)。

表6 不同峰值加速度的地震作用下結(jié)構(gòu)模型頂層的加速度最大反應 （單位：g）Table 6 The maximun acceleration of top floor under different peak acceleration seismic （g）

表7 有控時結(jié)構(gòu)模型各層的層間位移最大值（單位：mm）Table 7 The maximum story drift of each floor of isolated structure model（unit：mm)

3.2.3 新型抗拉機構(gòu)反應

（1）水平向反應。圖6是在水平向地震輸入時1號新型抗拉機構(gòu)水平力和位移的滯回曲線。從圖6可見，在4種波作用下新型抗拉機構(gòu)的滯回曲線飽滿勻稱，耗能滯回環(huán)隨著地震輸入激勵的變化而變化，但總體上都具有良好的耗能性能。

圖6 1號新型抗拉機構(gòu)在不同地震波作用下的水平力和位移滯回曲線Fig.6 The horizontal hysteretic curve of No.1 NTTRIB under different seismic save

（2）豎向反應。表8是不同地震波作用下各新型抗拉機構(gòu)所受最大豎向力，正號表示受拉。從表8可以看出，各新型抗拉機構(gòu)在地震作用下都進入了受拉狀態(tài)，其中1號反應最大，4號次之，3號最小。這是由于試驗時結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量不是均勻的分到4個新型抗拉機構(gòu)上，而是有偏心存在，進而導致各新型抗拉機構(gòu)的反應不同。圖7是1號新型抗拉機構(gòu)在不同地震波作用下的豎向力時程曲線。

在Kobe波作用下，1號新型抗拉機構(gòu)出現(xiàn)了13.75 kN的最大拉力，經(jīng)計算拉應力達2.16 Mpa，超過《規(guī)范》橡膠支座拉應力不應大于1 Mpa的規(guī)定；在El Centro波及Taft波作用下，最大拉應力分別為1.70 Mpa、1.71 Mpa。由圖8可見，在超過《規(guī)范》規(guī)定的拉應力狀態(tài)下，新型抗拉機構(gòu)仍能保持在線性階段而沒有出現(xiàn)類似文獻[12]中的雙線性特征。

表8 不同地震波作用下各新型抗拉機構(gòu)所受最大豎向力（kN）Table 8 The maximum vertical force of each NTTRIB under different seismic waves（kN）

圖7 1號新型抗拉機構(gòu)在不同地震波作用下的豎向力時程曲線Fig.7 The time-history curve of No.1 NTTRIB under different seismic save

圖8 1號新型抗拉機構(gòu)在不同地震波作用下的豎向力和位移相關(guān)曲線Fig.8 The vertical hysteretic curve of No.1 NTTRIB under different seismic save

4 新型抗拉機構(gòu)力學性能復測

振動臺試驗后選取出現(xiàn)較大拉力的1、4號新型抗拉機構(gòu)進行力學性能復測，試驗工況同前。

4.1 水平力學性能

圖9是1、4號新型抗拉機構(gòu)振動臺試驗前后的水平滯回曲線。由圖9可見試驗前后的滯回曲線相差不大。振動臺試驗后新型抗拉機構(gòu)的力學性能見表9。與表2對比可得：新型抗拉機構(gòu)試驗后的屈服后剛度較振動臺試驗前減少15%左右，但由文獻 [13]可知屈服后剛度變化對隔震結(jié)構(gòu)響應的影響很??；而屈服力、阻尼比的平均變化不大，在5%以內(nèi)。

圖9 新型抗拉機構(gòu)振動臺試驗前后的水平滯回曲線Fig.9 The horizontal hysteretic curves of NTTRIB before and after shaking table tes

表9 振動臺試驗后新型抗拉機構(gòu)的力學性能Table 9 Mechanical properties of NTTRIB after shaking table test

4.2 豎向抗壓剛度

由試驗數(shù)據(jù)，通過計算可得振動臺試驗后1、4號新型抗拉機構(gòu)的豎向抗壓剛度分別為： 81.455 kN/mm、90.977 kN/mm。由上可見，新型抗拉機構(gòu)試驗后的豎向抗壓剛度平均變化不大，在5%以內(nèi)。

5 結(jié)語

（1）在不同峰值加速度的El Centro波、Taft波、Landers波作用下，新型抗拉機構(gòu)具有良好的減震效果，頂層加速度的減震效果在20%～40%之間；因Kobe波的卓越周期與隔震結(jié)構(gòu)模型的第一周期接近，使得結(jié)構(gòu)模型各層的加速被明顯的放大，起不到隔震效果。

（2）隔震后，結(jié)構(gòu)模型的層間位移主要集中于隔震層，且層間位移角均能滿足彈性要求。

（3）新型抗拉機構(gòu)的滯回曲線均勻飽滿，具有良好的耗能性能。

（4）新型抗拉機構(gòu)抗具有局夠的抗拉承載力，且其基本力學性能受拉力影響不大。

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Shaking Table Test of Tensile-resistant Isolation Structures

MEI Mengqin1， DAI Gaopeng1， LIU Sicong2， ZHU Gang1， WEN Liuhan·Heisha1

（1.Earthquake Engineering Research&Test Center， Guangzhou University， Guangzhou 510405，China；2.Guangzhou Urban Construction Development Design Institute， Guangzhou 510405， China）

This paper designs a new type of rubber bearing with tensile properties (referred to as the new tensile mechanism),and install it on the basis of a steel-frame structure model for seismic simulation shaking table test to examine the structure's response under 4 seismic waves.The results show that the new tensile mechanism has good damping effect,energy dissipation performance and tensile capacity,and its basic mechanical properties are not greatly affected by the tensile force.

High-rise building； Isolation bearings； Tensile-resistant；Shaking table test

TU311.3

A

1001-8662（2017）02-0106-07

10.13512/j.hndz.2017.02.017

梅夢琴，戴高鵬，劉思聰，等.抗拉隔震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗研究 [J].華南地震，2017，37（2）：106-112.[MEI Mengqin，DAI Gaopeng，LIU Sicong， etal.ShakingTable Test ofTensile-resistant Isolation Structures[J].South china journal of seismology，2017，37（2）：106-112.]

2017-03-23

國家科技部973計劃 （2011CB013606）

梅夢琴 （1992-），女，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)減隔震研究

E-mail：1349339131@qq.com.