不同縮進(jìn)比例的大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)隔震性能研究

吳應(yīng)雄， 陸劍峰， 顏學(xué)淵， 陳梓軒， 祁 皚

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福州 350116)

不同縮進(jìn)比例的大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)隔震性能研究

吳應(yīng)雄， 陸劍峰， 顏學(xué)淵， 陳梓軒， 祁 皚

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福州 350116)

大底盤(pán)單塔樓隔震結(jié)構(gòu)的研究中，尚缺乏縮進(jìn)比例對(duì)隔震性能的影響規(guī)律研究。確定了塔樓縮進(jìn)比例為1∶3的大底盤(pán)單塔樓模型，制作安裝了基礎(chǔ)隔震、層間隔震和抗震這三種結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行單向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，據(jù)此建立了塔樓縮進(jìn)比例分別為1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3這四種模型并進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明：與抗震結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震各樓層加速度放大系數(shù)隨樓層數(shù)增加略微增大，頂層放大較為明顯，但總體反應(yīng)接近平動(dòng)；層間隔震的塔樓加速度反應(yīng)近乎平動(dòng)，但底盤(pán)的加速度放大系數(shù)卻比抗震模型大，且隨著樓層數(shù)的增加而增大；基礎(chǔ)隔震各層層間位移減震效果顯著，而層間隔震底盤(pán)樓層減震效果差，兩者底盤(pán)響應(yīng)差異性較大。進(jìn)一步分析得到，隨著縮進(jìn)比例的增大，三種結(jié)構(gòu)形式的加速度放大系數(shù)均有增大的趨勢(shì)，其中基礎(chǔ)隔震與層間隔震模型的增幅較小，而抗震模型的增幅較大。研究結(jié)果可為大底盤(pán)單塔樓隔震方案的選擇和隔震設(shè)計(jì)提供參考。

大底盤(pán)上塔樓； 層間隔震； 體型縮進(jìn)； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

大底盤(pán)上塔樓建筑由于塔樓較底盤(pán)體型縮進(jìn)，為豎向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)，歷次震害表明塔樓底部的樓層震害嚴(yán)重[1-4]。新發(fā)展的層間隔震技術(shù)能有效改善大底盤(pán)上塔樓結(jié)構(gòu)體系因其層間剛度突變引起的復(fù)雜受力情況，GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱(chēng)《抗規(guī)》(10版))指出，目前大底盤(pán)上塔樓建筑應(yīng)用層間隔震技術(shù)(隔震層設(shè)置于塔樓的底盤(pán)上)已有一定的工程實(shí)例。

譚平等[1]對(duì)大底盤(pán)單塔樓隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，表明了層間隔震能夠顯著減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)，但下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)減震率較小；李玉珍[2]采用多質(zhì)點(diǎn)分析模型建立大底盤(pán)單塔樓隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方程，通過(guò)數(shù)值模擬，分析大底盤(pán)單塔層間隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，指出隔震層水平剛度和阻尼比是影響減震效果的主要參數(shù)；Dang等[5]針對(duì)不對(duì)稱(chēng)的大底盤(pán)多塔樓隔震體系，通過(guò)仿真分析探討了塔樓質(zhì)量偏心率和質(zhì)量比對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。結(jié)果表明，塔樓與底盤(pán)的位置和質(zhì)量分布會(huì)影響結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和減震效果，應(yīng)盡量使塔樓與底盤(pán)的質(zhì)心重合，以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，提高減震效果；Jin等[6]對(duì)一組4層鋼結(jié)構(gòu)底層柱頂隔震模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明：上部結(jié)構(gòu)隔震效果較好，但底層加速度響應(yīng)略增大，認(rèn)為層間隔震不能減少底層的地震反應(yīng)。王蓉蓉[7]建立了大底盤(pán)單塔樓抗震結(jié)構(gòu)模型及相應(yīng)的基隔結(jié)構(gòu)和層隔結(jié)構(gòu)模型，對(duì)比各結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明，應(yīng)用隔震技術(shù)使結(jié)構(gòu)基本周期較抗震結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)，上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也隨之降低；孫臻等[8]基于有限元軟件對(duì)某實(shí)際大底盤(pán)雙塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，對(duì)比隔震與抗震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)果表明：層間隔震塔樓各層的地震響應(yīng)均小于抗震結(jié)構(gòu)，而下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了在高烈度區(qū)對(duì)大底盤(pán)雙塔樓結(jié)構(gòu)應(yīng)用層間隔震技術(shù)安全且可行；馬玉宏等[9]以某大底盤(pán)上塔樓基礎(chǔ)隔震建筑為例研究了大底盤(pán)層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及地震反應(yīng)特性的影響，模態(tài)分析和時(shí)程分析結(jié)果表明：大底盤(pán)層數(shù)越多，塔樓的減震效果越好，隔震層位移越大，上部塔樓的層間位移和加速度等反應(yīng)越小。

由以上文獻(xiàn)可知，目前對(duì)于大底盤(pán)上塔樓結(jié)構(gòu)隔震效果的影響規(guī)律的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，研究方法基本為數(shù)值分析，而相應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的驗(yàn)證缺乏，且有關(guān)文獻(xiàn)大多研究的是底盤(pán)與塔樓的樓層數(shù)以及質(zhì)量等參數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)隔震效果的影響，未考慮塔樓體型縮進(jìn)比例這一因素。為此，制作與安裝一個(gè)5層縮尺比例為1∶7的大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)模型，塔樓較底盤(pán)縮進(jìn)比例為1∶3，通過(guò)將隔震層設(shè)于底盤(pán)底部和塔樓底部，形成基礎(chǔ)隔震和層間隔震模型，并進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和校正。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元軟件Etabs建立了塔樓較底盤(pán)縮進(jìn)比例分別為1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3的四種數(shù)值模型，分析塔樓體型縮進(jìn)比例大小對(duì)于大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)隔震效果的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為大底盤(pán)單塔樓隔震方案的選擇和隔震設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 建立結(jié)構(gòu)模型

建立一個(gè)具有工程應(yīng)用意義的大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)模型，其中下部底盤(pán)2層，層高5 m，橫向3跨，縱向1跨，柱網(wǎng)7 m×7 m；上部塔樓6層，層高3.5 m，橫向1跨，縱向1跨，柱網(wǎng)7 m×7 m。建筑總高度為31 m，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要框架柱尺寸700 mm×700 mm～500 mm×500 mm，框架梁尺寸300 mm×700～800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30～C35，樓板厚度110 mm。

塔樓較底盤(pán)水平向縮進(jìn)尺寸比例為1∶3，符合大底盤(pán)上塔樓結(jié)構(gòu)的受力特征。對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和縮尺，重點(diǎn)研究長(zhǎng)向的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)，因此采用單向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。采用了隔震技術(shù)，故將塔樓每?jī)蓪雍?jiǎn)化為一層，即六層簡(jiǎn)化為三層，考慮利用課題組已有的試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鳛樗遣糠忠怨?jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。最終確定控制尺寸，取幾何相似比為1∶7，表1是模型與原型結(jié)構(gòu)相似關(guān)系。綜合考慮剛度、質(zhì)量及結(jié)構(gòu)損傷等因素，最終簡(jiǎn)化為五層鋼框架結(jié)構(gòu)模型，其中底盤(pán)2層，塔樓3層。底盤(pán)長(zhǎng)向(X向)為三跨，每跨長(zhǎng)度均為1 m，短向(Y向)為單跨，長(zhǎng)度為1 m，層高0.714 m；塔樓兩方向均為單跨，長(zhǎng)度為1 m，層高1 m，最大高寬比為3，接近常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)高寬比的比值，這樣模型總高度4.82 m，圖1是模型平面示意圖。結(jié)構(gòu)模型梁、柱采用角鋼，Q235B鋼材，柱子型號(hào)GB-L100×8；梁型號(hào)GB-L80×5。模型結(jié)構(gòu)的底盤(pán)與塔樓均可重復(fù)利用，分別將隔震支座置于塔樓底部以及底盤(pán)底部可得到層間隔震結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，去除隔震支座并固接即成為抗震結(jié)構(gòu)，如圖2所示。組裝后的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，表2是模型結(jié)構(gòu)層間剛度。

表1 模型結(jié)構(gòu)相似比Tab.1 Model structure similarity ratio

(a)底盤(pán)平面(b)塔樓平面

圖1 模型結(jié)構(gòu)平面圖

Fig.1 Model structure plan

(a) 基礎(chǔ)隔震

(b) 層間隔震

(c) 抗震圖2 三種結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Three kinds of structure model

圖3 組裝后結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Assembled structure model表2 模型結(jié)構(gòu)層間剛度Tab.2 Model structure interlayer stiffness

樓層層間剛度/(kN·mm-1)514.20414.20314.20277.93177.93

1.2 結(jié)構(gòu)模型隔震層設(shè)計(jì)

1.2.1 基礎(chǔ)隔震模型隔震層設(shè)計(jì)

原型基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)采用8個(gè)隔震支座，其中邊、角柱為鉛芯支座(LRB)，中柱為普通橡膠支座(LNR)，直徑為600 mm，豎向面壓小于12 MPa，隔震層水平剛度為10.65 kN/mm，由相似關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)隔震層側(cè)移剛度為1.52 kN/mm?；A(chǔ)隔震模型是將隔震層設(shè)于底盤(pán)底部，設(shè)計(jì)基本步驟為：① 根據(jù)上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型、平面布置和隔震支座豎向壓應(yīng)力不超過(guò)容許值確定隔震支座的規(guī)格；② 計(jì)算基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震作用；③ 驗(yàn)算隔震支座水平位移不超過(guò)容許值。按照上述設(shè)計(jì)步驟并結(jié)合生產(chǎn)工藝條件選用隔震支座，其中4個(gè)LNR120和4個(gè)LRB120，豎向面壓分別為0.75 MPa和2.52 MPa。

1.2.2 層間隔震模型隔震層設(shè)計(jì)

原型層間隔震結(jié)構(gòu)采用4個(gè)鉛芯隔震支座，直徑為500 mm，豎向面壓小于12 MPa，隔震層水平剛度為4.31 kN/mm，由相似關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)隔震層側(cè)移剛度為0.61 kN/mm。層間隔震是將震隔震層設(shè)于塔樓底部，其設(shè)計(jì)方法與基礎(chǔ)隔震類(lèi)似，為了保證基礎(chǔ)隔震和層間隔震這兩種結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和分析具有可比性，按照隔震層水平剛度相近的原則，確定選用4個(gè)LRB100隔震支座，豎向面壓為1.26 MPa。

1.3 試驗(yàn)用隔震支座

試驗(yàn)采用橡膠剪切模量為0.392 N/mm2的隔震支座，其中LRB100支座剖面如圖4所示。

(a)LRB剖面(b)隔震支座安裝

圖4 隔震支座

Fig.4 Isolation bearing

試驗(yàn)過(guò)程中軸向壓應(yīng)力保持軸向壓應(yīng)力6 MPa恒定，隔震支座試驗(yàn)體做剪切應(yīng)變?chǔ)?100%的水平性能試驗(yàn)。表3列出了三種支座的規(guī)格和壓剪測(cè)試后的性能參數(shù)?；A(chǔ)隔震模型隔震層側(cè)移剛度實(shí)測(cè)值為1.68 kN/mm，相比于由相似關(guān)系計(jì)算得到的1.52 kN/mm，相差10.50%；層間隔震模型隔震層側(cè)移剛度實(shí)測(cè)值為0.644 kN/mm，相比于由相似關(guān)系計(jì)算得到0.61 kN/mm，相差5.60%?？梢?jiàn)誤差不大，可用于試驗(yàn)。

1.4 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)于2016年8月在福州大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)加載及采集裝置如下：

表3 隔震支座規(guī)格與性能參數(shù)Tab.3 Specifications and performance parameters of isolation bearings

(1) 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。表4給出了試驗(yàn)所用的地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)。

表4 振動(dòng)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of shaking table

(2) 傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。每層(含振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面共8層)水平對(duì)稱(chēng)布置2個(gè)X向加速度傳感器，共采用16個(gè)DH610型磁電式振動(dòng)加速度傳感器。同時(shí)每層布置8個(gè)NS-WY06型拉線位移傳感器。試驗(yàn)采用JM5958振動(dòng)臺(tái)多功能測(cè)試系統(tǒng)，用于記錄層間位移、隔震層位移以及絕對(duì)加速度。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱共有64個(gè)通道，本次試驗(yàn)共計(jì)使用24個(gè)通道，包括16個(gè)加速度傳感器通道和8個(gè)位移傳感器通道。

1.4.2 地震波選取及試驗(yàn)工況

選用適合于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地的EL-Centro波、Taft波和Northridge三條強(qiáng)震記錄，以及一條人工波Rgbtongan波(廈門(mén)同安波)。地震波單向(X向)輸入，每條地震波加速度峰值按規(guī)范分別調(diào)整至0.20 g、0.40 g和0.60 g。模型試驗(yàn)順序依次是層間隔震結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)，這樣共有36組試驗(yàn)工況。

2 主要試驗(yàn)結(jié)果分析

絕對(duì)加速度和層間位移是反映結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的兩個(gè)主要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)減震效果的重要指標(biāo)。為了比較不同模型結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的減震效果，引入地震反應(yīng)減震率參數(shù)θ[10]，將其定義為：

(1)

式中:θ為減震率，Δi為隔震模型反應(yīng)均值，Δ為抗震模型反應(yīng)均值。

需要說(shuō)明的是，為了行文方便試驗(yàn)結(jié)果的表達(dá)順序先基礎(chǔ)隔震再層間隔震。加速度和層間位移響應(yīng)結(jié)果的圖和表中，隔1表示基礎(chǔ)隔震，隔2表示層間隔震，加速度測(cè)點(diǎn)位置分別為各自隔震層頂板。

2.1 模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

表5給出了三種結(jié)構(gòu)模型通過(guò)白噪聲掃頻，根據(jù)模態(tài)分析得到受震前后的X向第一階自振周期。由表5可得，三種結(jié)構(gòu)模型在受震前后自振周期和周期變化率接近，隔震結(jié)構(gòu)較抗震結(jié)構(gòu)稍有延長(zhǎng)。

表5 模型結(jié)構(gòu)自振周期測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test value of natural vibration period ofmodel structure

2.2 模型結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

三種結(jié)構(gòu)模型在上述四條波加速度峰值分別為0.20 g、0.40 g和0.60 g作用下，加速度響應(yīng)試驗(yàn)見(jiàn)表6和表7，各結(jié)構(gòu)模型加速度反應(yīng)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。限于篇幅且隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)考慮大震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此下文各響應(yīng)的對(duì)比圖中僅表達(dá)加速度峰值分別為0.40 g和0.60 g作用下的結(jié)果。

(a)加速度0.40g(b)加速度0.60g

圖5 模型結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)對(duì)比

Fig.5 Comparison of acceleration response of model structure

由表6和表7得，基礎(chǔ)隔震各層和層間隔震塔樓加速度反應(yīng)較抗震模型均顯著減小，二者減震率分別處于53.72%～80.69%和62.76%～83.09%，隨樓層增加減震率逐漸增大，減震效果良好。由于層間隔震底盤(pán)為抗震結(jié)構(gòu)，所以減震率較抗震模型反而增加，且增加幅度隨著輸入地震波峰值增加而增大，分別處于10.12%～30.03%，這與有關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論基本一致[7-14]。由圖5可得，基礎(chǔ)隔震和層間隔震塔樓加速度響應(yīng)連線近似為一條直線，各層加速度變化很小，整體近似平動(dòng)。層間隔震底盤(pán)加速度響應(yīng)則隨樓層的增加而增大。

表6 基礎(chǔ)隔震與抗震模型加速度試驗(yàn)值及減震率Tab.6 Acceleration test value and damping ratio of base isolation and seismic model

表7 層間隔震與抗震模型加速度試驗(yàn)值及減震率Tab.7 Acceleration test value and damping ratio of interlayer isolation and seismic model

2.3 模型結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)

三種結(jié)構(gòu)模型在上述四條波加速度峰值分別為0.20 g、0.40 g和0.60 g作用下，層間位移響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8和表9，結(jié)構(gòu)模型層間位移反應(yīng)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6(省略了隔震層)。

表8 基礎(chǔ)隔震與抗震模型層間位移試驗(yàn)值和減震率Tab.8 The test values of displacement and damping ratio between base isolation and seismic model

表9 層間隔震與抗震模型層間位移試驗(yàn)值和減震率Tab.9 Test values of interlayer displacement and damping ratio between interlayer isolation and seismic model

(a)加速度0.40g(b)加速度0.60g

圖6 模型結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)對(duì)比

Fig.6 Comparison of displacement response of interlayer model structures

從表8和表9得，基礎(chǔ)隔震和層間隔震塔樓的層間位移反應(yīng)較抗震模型均顯著減小，減震率分別處于51.62%～67.12%和68.68%～81.02%。層間隔震底盤(pán)兩層減震率在1.27%～7.41%，即基本無(wú)減震效果。由圖6得，抗震模型最大層間位移發(fā)生在第三層，即豎向剛度突變處?；A(chǔ)隔震和層間模型塔樓的層間位移較抗震模型均有大幅度減少，各層層間位移變化均勻，表現(xiàn)為整體平動(dòng)，減震效果顯著。

3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)上述大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行地震響應(yīng)時(shí)程分析，利用通用成熟的Etabs有限元軟件，分析模型如圖7所示。將分析結(jié)果與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證數(shù)值分析的可靠性。模型中梁、柱均采用空間桿系單元模擬，板采用膜單元。隔震支座采用Etabs自帶的Isolator1單元模擬，其恢復(fù)力采用Bouc-Wen模型來(lái)模擬。

3.1 加速度響應(yīng)分析

圖8～圖10給出了加速度峰值分別為0.40 g和0.60 g作用下三種模型結(jié)構(gòu)各層加速度響應(yīng)試驗(yàn)與數(shù)

圖7 有限元分析模型Fig.7 Finite element analysis model

值結(jié)果。由圖中看出，三種模型結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)試驗(yàn)值及數(shù)值結(jié)果的響應(yīng)規(guī)律一致，三種模型結(jié)構(gòu)底盤(pán)對(duì)比結(jié)果吻合度高，塔樓對(duì)比結(jié)果有一定誤差，但結(jié)果大體吻合。

(a)加速度0.40g(b)加速度0.60g

圖8 基礎(chǔ)隔震加速度對(duì)比

Fig.8 Comparison of base isolated acceleration

3.2 位移響應(yīng)分析

加速度峰值分別為0.40 g和0.60 g的作用下，三種模型各層層間位移響應(yīng)試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖11～13。由圖12～14可得，三種模型層間位移試驗(yàn)值與數(shù)值結(jié)果總體吻合度較高，表明數(shù)值分析的可靠性高。

(a)加速度0.40g(b)加速度0.60g

圖9 層間隔震加速度對(duì)比Fig.9 Comparison of interlayer seismic acceleration

圖10 抗震加速度對(duì)比Fig.10 Seismic acceleration comparison

圖11 基礎(chǔ)隔震層間位移反應(yīng)對(duì)比

Fig.11 Comparison of interlayer displacement response of base isolation

4 不同縮進(jìn)比例的模型數(shù)值分析

工程應(yīng)用中考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素，塔樓較大底盤(pán)縮進(jìn)比例當(dāng)大于1∶3時(shí)(塔樓面積小)通常采用層間隔震，當(dāng)小于1∶1.5時(shí)(塔樓面積大)采用基礎(chǔ)隔震，而處于1∶1.5～1∶3時(shí)可采用基礎(chǔ)隔震或者層間隔震形式。

(a)加速度0.40g(b)加速度0.60g

圖12 層間隔震層間位移對(duì)比Fig.12 Comparison of interlayer displacement response of base isolation

圖13 抗震層間位移對(duì)比

Fig.13 Comparison of seismic interlayer displacement

前述振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為縮進(jìn)比例為1∶3的結(jié)構(gòu)模型，為使研究更具針對(duì)性，進(jìn)行了同條件下不同縮進(jìn)比例的數(shù)值分析，縮進(jìn)比例分別定為1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3這四種。同樣利用ETABS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，得到上述四種對(duì)比模型的隔震效果影響規(guī)律。

限于篇幅，文中僅表達(dá)在加速度峰值為0.40 g時(shí)，這四種數(shù)值模型的加速度響應(yīng)差異。由于加速度放大系數(shù)能集中反應(yīng)上部結(jié)構(gòu)對(duì)臺(tái)面輸入加速度的放大或縮小，表達(dá)更為直觀，因此圖14給出了這四種數(shù)值模型的加速度放大系數(shù)對(duì)比，圖中樓層“0”為臺(tái)面。

由圖14數(shù)值分析表明，與抗震結(jié)構(gòu)相比，基礎(chǔ)隔震各樓層加速度放大系數(shù)隨樓層數(shù)增加略微增大，頂層放大較為明顯，但總體反應(yīng)接近平動(dòng)；層間隔震的塔樓加速度反應(yīng)近乎平動(dòng)，但底盤(pán)的加速度放大系數(shù)卻比抗震模型大，且隨著樓層數(shù)的增加而增大。進(jìn)一步分析，隨著縮進(jìn)比例的增大，三種結(jié)構(gòu)形式的加速度放大系數(shù)均有增大的趨勢(shì)，其中基礎(chǔ)隔震與層間隔震模型的增幅較小，而抗震模型的增幅較大。

(a)基礎(chǔ)隔震(b)層間隔震(c)抗震

圖14 數(shù)值模型加速度放大系數(shù)對(duì)比

Fig.14 Contrast of acceleration amplification coefficients of numerical model

5 結(jié) 論

為研究大底盤(pán)上塔樓的層間隔震結(jié)構(gòu)在不同縮進(jìn)比例下隔震效果的影響規(guī)律，以及為隔震方案的選擇和隔震設(shè)計(jì)提供參考，得到如下結(jié)論：

(1) 加速度響應(yīng)方面，基礎(chǔ)隔震各層減震效果顯著；層間隔震的塔樓各層減震效果同樣顯著，但其底盤(pán)樓層反而比抗震模型增大，且隨著樓層數(shù)的增加和加速度峰值的增大而增幅較大。

(2) 層間位移響應(yīng)方面，基礎(chǔ)隔震各層和層間隔震的塔樓減震效果顯著，但層間隔震的底盤(pán)樓層沒(méi)有減震效果，即基礎(chǔ)隔震和層間隔震的底盤(pán)樓層減震效果差別較大。

(3) 四種不同塔樓縮進(jìn)比例的模型進(jìn)一步數(shù)值分析表明了，隨著縮進(jìn)比例的增大，三種結(jié)構(gòu)形式的加速度放大系數(shù)均有增大的趨勢(shì)，其中基礎(chǔ)隔震與層間隔震模型的增幅較小，而抗震模型的增幅較大。

(4) 總體而言，大底盤(pán)單塔樓隔震結(jié)構(gòu)中，采用基礎(chǔ)隔震或?qū)娱g隔震，對(duì)于塔樓的減震效果差異不大，但底盤(pán)的減震效果差異較大，基礎(chǔ)隔震的減震效果優(yōu)于層間隔震。大底盤(pán)單塔樓隔震結(jié)構(gòu)選擇基礎(chǔ)隔震或?qū)娱g隔震形式，在工程應(yīng)用中可主要考慮隔震層設(shè)置條件和經(jīng)濟(jì)因素。

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Seismicisolationperformanceofasingletowerstructureonalargechassiswithdifferentindentationratios

WU Yingxiong, LU Jianfeng, YAN Xueyuan, CHEN Zixuan, QI Ai

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

In studies on seismic isolation structure for a single tower on a large chassis, few attentions were paid to the influence of the indentation ratio on the seismic isolation effects. A single tower on a large chassis with the tower indentation ratio of 1∶3 was taken as a model with 3 structural forms including base seismic isolation, interlayer seismic isolation and aseismic one. One-way shaking table test was then conducted on these 3 models. 3 models were numerically simulated, their results were verified by comparing them with the results of shaking table tests. Numerical analyses were performed on another four models with the tower indentation ratio of 1∶1.5, 1∶2, 1∶2.5 and 1∶3, respectively. The results showed that compared with the aseismic structure model, the acceleration amplification coefficient of each floor of the base seismic isolation model slightly increases with increase in the floor number, but the whole structure response is close to translational motion; for the interlayer seismic isolation model, its acceleration response is close to translational motion, the acceleration amplification coefficient of its chassis is larger than that of the aseismic model, and it increases with increase in the floor number; the damping effect of the interlayer displacement of the base seismic isolation model is remarkable, while the poor damping effect of the interlayer seismic isolation model’s chassis is observed; the chassis responses are quite different for the base seismic isolation model and the interlayer seismic isolation one; the acceleration amplification coefficients of the three structural models increase with increase in the indentation ratio, the amplitude increase values of the base seismic isolation model and the interlayer seismic isolation one are relatively small, and that of the aseismic model is larger; the results can provide a reference for seismic isolation scheme selection and seismic isolation design of a single tower on a large chassis.

tower on a large chassis； interlayer seismic isolation system； body indentation； shaking table test

國(guó)家自然科學(xué)基金(51578160); 福建省住建廳2017科研項(xiàng)目(2017-K-023)

2017-02-04 修改稿收到日期：2017-05-06

吳應(yīng)雄 男，博士，副教授，1969年3月生

顏學(xué)淵 男，博士，副教授，1982年9月生。E-mail:yxy820910@sina.com,電話(huà)：15280425642

TU352.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.23.018