近斷層地震作用下軟限位對層間隔震結(jié)構(gòu)動力響應影響分析

韓 淼, 韓 蓉, 孟令帥, 杜紅凱

(北京建筑大學 北京未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心 北京節(jié)能減排關鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100044)

隔震技術(shù)主要依靠結(jié)構(gòu)隔震層變形來減小上部結(jié)構(gòu)的地震響應，但當遭遇遠場大震，或者含有長周期速度大脈沖的近斷層地震動[1]作用時，隔震層的變形過大，將導致上部結(jié)構(gòu)與相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞或隔震支座發(fā)生損壞，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

韓淼等[2-4]對基礎隔震結(jié)構(gòu)隔震層位移過大提出軟限位保護隔震支座方案，即在隔震層設置緩沖限位保護機構(gòu)。并進行了遠場大震作用下的基礎隔震限位振動臺模型實驗，對緩沖限位保護機構(gòu)設計參數(shù)的選取原則和方法進行研究提出:①限位預留距離應以在發(fā)生多遇小震時，緩沖限位器與結(jié)構(gòu)不發(fā)生軟碰撞為下限初始值；②限位剛度以將基礎隔震層變形限制在規(guī)范允許值最大值的限位剛度為下限初始值；③以基礎隔震層限位與上部結(jié)構(gòu)減震需求為目標，對預留距離和限位剛度設計參數(shù)進行優(yōu)化組合。

樊劍等[5]對近斷層地震動作用下摩擦型隔震結(jié)構(gòu)與限位裝置的碰撞響應進行了研究，結(jié)果表明限位裝置在達到限位效果的同時，也增加了上部結(jié)構(gòu)的層間剪力和加速度響應。趙桂峰等[6-7]對村鎮(zhèn)建筑帶限位裝置摩擦隔震體系的參數(shù)影響進行研究，給出了參數(shù)選取的合理取值范圍；對彈塑性緩沖限位與滯變-摩擦并聯(lián)隔震體系進行研究，通過建立相關運動方程，分析限位參數(shù)的設置對隔震層的影響，表明限位裝置與隔震裝置剛度比越大，隔震層最大位移控制效果越好，建議限位裝置剛度取隔震裝置剛度的一半。顏桂云等[8]提出在隔震層增設黏滯阻尼器，形成混合隔震方案，分析了其對隔震層的限位保護效果及其對隔震結(jié)構(gòu)非線性反應的減震效果。韓淼等[9]進行了近斷層地震作用下基礎隔震限位振動臺試驗，驗證了軟碰撞限位能將隔震層變形控制在允許范圍內(nèi)，但可能會增大上部結(jié)構(gòu)響應。以上是近斷層作用下，對隔震層限位對基礎隔震結(jié)構(gòu)體系地震響應的研究，隔震層限位對層間隔震結(jié)構(gòu)體系地震響應的影響還有待研究。

本文將對近斷層地震動作用下，隔震層限位設計參數(shù)對層間隔震結(jié)構(gòu)的隔震層與主體結(jié)構(gòu)動力響應的影響進行研究。

1 試驗概況

1.1 試驗模型設計

以某5層鋼框架結(jié)構(gòu)為振動臺模型試驗的原型結(jié)構(gòu)，抗震設防烈度為8度，Ⅱ類場地，設計地震分組為第一組，開間方向3跨，進深方向2跨，跨度均為7.2 m，層高3.6 m。主梁采用H型鋼450×200×9×14，次梁采用H型鋼300×150×6.5×9，柱采用方鋼500×500×13，鋼材采用Q235鋼。底層、樓面和屋面的混凝土板厚依次為160 mm、100 mm和100 mm。隔震支座采用直徑為500 mm的疊層橡膠支座(LNR500)，水平剛度788 kN/m，共計12個。隔震層可以設置在結(jié)構(gòu)任意層位置，以形成不同層間隔震結(jié)構(gòu)體系。

考慮振動臺試驗條件限制，試驗模型開間和進深方向均取一跨，相似比取1∶8，柱采用角鋼∟56×8，梁采用10號槽鋼，柱凈高0.35 m，模型每層配重0.86 t。制作5個單層鋼框架，可將隔震支座設置在不同層，實現(xiàn)基礎隔震和層間隔震試驗。隔震層選用天然疊層橡膠支座GZP100，水平剛度為100 N/mm。試驗模型平面圖、立面圖,如圖1所示。

(a) 模型平面圖(mm)

(b) 模型立面圖

1.2 地震動記錄選取及試驗工況

表1 近斷層地震波特征參數(shù)

隔震層分別設置在基礎、一層、二層和四層。限位器選用鋼螺旋彈簧，共設計三種鋼螺旋彈簧限位器，剛度分別為200 N/mm、400 N/mm和600 N/mm，彈簧所用材料為65Mn鋼。限位預留距離取20 mm、30 mm和35 mm。同時進行了隔震非限位試驗，以便對比分析。

2 試驗模型數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比

2.1 數(shù)值模擬單元的選取

采用ABAQUS有限元軟件對試驗模型進行建模，梁柱單元采用B32[13]，采用雙線型模型考慮材料非線性，殼單元采用S4R5，賦予參考點質(zhì)量來模擬樓層配重，采用連接單元來模擬隔震支座，采用彈簧單元 (spring)模擬鋼螺旋彈簧。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

地震波1494fn作用下二層隔震限位、限位剛度600 N/mm、預留距離20 mm時，隔震層與主體結(jié)構(gòu)層間位移時程曲線的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果，如圖2所示。

(a) 五層層間位移時程曲線

(b) 四層層間位移時程曲線

(c) 三層層間位移時程曲線

(d) 二層層間位移時程曲線

(e) 一層層間位移時程曲線

(f) 隔震層位移時程曲線

由圖2可看出，1494fn地震波作用下，數(shù)值模擬與試驗的隔震層和樓層層間位移時程曲線吻合較好。時程曲線的峰值誤差均在15%以內(nèi)，見表2；表明數(shù)值模型具有較高的計算精度。

表2 試驗模型數(shù)值模擬和試驗的隔震層最大位移誤差

其它工況的基礎和層間隔震限位，數(shù)值模擬與試驗的層間位移時程曲線吻合亦較好，由于篇幅有限，不再一一給出。

3 試驗原型結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

3.1 原型結(jié)構(gòu)自振周期

利用ABAQUS軟件對振動臺試驗原型結(jié)構(gòu)建立非隔震，以及基礎、一層、二層、三層和四層隔震的數(shù)值分析模型。前三階自振周期見表3。由表3可見，隨隔震層上移，隔震結(jié)構(gòu)自振周期減小，但均大于非隔震結(jié)構(gòu)的自振周期。

表3 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)自振周期

3.2 近斷層地震波選取

選用振動臺試驗用的三條地震波作為輸入地震波，峰值加速度分別調(diào)幅為0.07 g(8度多遇)和0.4 g(8度罕遇)。

3.3 限位器的預留距離與限位剛度參數(shù)選取

《建筑抗震設計規(guī)范》[14]規(guī)定隔震支座水平位移限值，不應超過隔震支座有效直徑的0.55倍和支座內(nèi)部橡膠總厚度3倍二者中的較小值，本試驗中隔震支座的位移限值為275 mm。

對基礎隔震和層間隔震結(jié)構(gòu)分別輸入調(diào)幅后的近斷層地震波，得到8度多遇與罕遇地震作用的隔震層最大位移，見表4。由表4可見，地震波1494fn，1503fn罕遇地震作用下，基礎隔震和層間隔震的支座最大位移都出現(xiàn)超過規(guī)范限值的情況，須對隔震層進行限位，在隔震支座兩側(cè)設置限位器。

多遇地震時，隔震結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，限位器不應發(fā)生作用。預留距離的取值以多遇地震時橡膠支座的最大位移為下限。根據(jù)表4中多遇地震時的隔震支座最大位移，預留距離取值選為：50 mm、70 mm和90 mm。

限位器的限位剛度以罕遇地震作用下隔震層最大位移控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)的剛度為下限。經(jīng)過試算，限位器剛度分別取隔震支座水平剛度的1倍、2倍、3倍、4倍、5倍和10倍。定義s為隔震支座水平剛度，則限位器剛度依次記為1 s、2 s、3 s、4 s、5 s和10 s。

表4 隔震支座最大位移/mm

3.4 分析工況設計

對5種隔震層位置、3條地震波、3種預留距離、6種限位剛度進行隔震層限位計算，同時進行隔震非限位計算，共進行285種工況數(shù)值模擬計算。為便于描述，基礎限位、一層限位、二層限位、三層限位和四層限位簡寫為jx、1x、2x、3x和4x，將“x”替換為“g”代表隔震不限位。如工況jx-50-2s表示：基礎隔震限位，限位預留距離為50 mm，一個限位器的剛度為一個隔震支座剛度的2倍(即隔震層的限位剛度為隔震層隔震支座水平剛度的2倍)。

下面對285種工況的數(shù)值模擬計算結(jié)果進行分析。由于篇幅有限，相同規(guī)律的工況僅給出代表性工況的計算結(jié)果，其他工況不再一一給出。

4 隔震限位對隔震層響應影響分析

(1) 隔震層水平位移時程分析

圖3為1494fn地震波作用，基礎隔震不限位及限位情況下，預留距離70 mm時隔震層位移時程曲線。限位剛度為2 s、4 s和10 s時，隔震層位移時程曲線與其他限位剛度時的變化規(guī)律一致，為便于觀察分析，未在圖中繪出。

圖4為1494fn地震波作用，基礎隔震不限位及限位情況下，限位剛度3 s時隔震層位移時程曲線。

圖3 基礎隔震在地震波1494fn作用下不同限位剛度的隔震層位移時程(預留距離70 mm)

圖4 基礎隔震在地震波1494fn作用下不同預留距離的隔震層位移時程(限位剛度3 s)

由圖3和圖4可知，同一地震波作用下，基礎隔震限位相對于非限位的隔震層位移時程曲線均出現(xiàn)相位提前的現(xiàn)象，這說明限位器發(fā)揮了限位作用，阻止隔震層位移繼續(xù)增大，并使得位移方向提前發(fā)生改變。限位情況下，當預留距離一定時，限位剛度越大，隔震層位移時程曲線峰值越小，相位提前越顯著；當限位剛度一定時，預留距離越小，隔震層位移時程曲線峰值越小，相位提前越顯著。

(2) 隔震層最大位移分析

圖5給出三條地震波作用下，基礎隔震限位的隔震層最大位移平均值。

(a) 隔震層最大位移均值隨預留距離變化

(b) 隔震層最大位移均值隨限位剛度變化

由圖5可知，隔震層水平位移最大值均小于規(guī)范允許值。

當限位剛度一定時，預留距離越小，隔震支座水平位移最大值越小，且減小幅度隨限位剛度的增加而增大。

當預留距離一定時，限位剛度越大，隔震支座水平位移最大值越小，且減小幅度隨限位剛度的增大而降低。

圖6為不同隔震層位置時各限位工況下的隔震支座最大位移分布，按是否超過規(guī)范限值對圖中數(shù)據(jù)點進行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。由圖6和表5可知，隨著隔震層位置升高，隔震支座最大位移超過規(guī)范限值的概率減小，數(shù)據(jù)點分布逐漸集中在規(guī)范限值以下。表明隨著隔震層位置的升高，隔震支座最大位移呈減小趨勢。

圖6 不同隔震層的隔震支座最大位移分布

表5 不同隔震層時隔震支座最大位移占比

Tab.5 The ratio of the maximum displacement of the isolation bearing in the different isolation layers

隔震層最大位移/mm基礎隔震一層隔震二層隔震三層隔震四層隔震(0,275)86%93%93%98.2%100%[275,+∞)14.0%7.0%7.0%1.8%0

5 彈簧限位對層間隔震主體結(jié)構(gòu)響應影響分析

5.1 彈簧限位對結(jié)構(gòu)層間位移響應影響分析

《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定多、高層鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下彈性層間位移角限值為1/250，在罕遇地震作用下彈塑性層間位移角限值為1/50。雖然限位剛度越大，越能有效地將隔震支座水平位移限制在規(guī)范限值內(nèi)，但考慮到限位剛度增大會對上部結(jié)構(gòu)響應帶來不利影響，限位參數(shù)需要綜合考慮主體結(jié)構(gòu)和隔震層的響應優(yōu)化確定。

下面將對三條地震波作用下，預留距離70 mm的基礎和層間隔震限位結(jié)構(gòu)層間位移角最大值均值進行分析，見圖7～圖11。

圖7 基礎隔震層間位移角包絡圖

(1) 基礎隔震

由圖7可知，基礎隔震限位和非限位時的層間位移角包絡圖呈D字形狀，層間位移角隨樓層的升高先增大后減小，最大層間位移角出現(xiàn)在二層。限位各層層間位移角均大于非限位，表明限位激發(fā)了上部結(jié)構(gòu)響應。當預留距離一定時，隨著限位剛度的增大，結(jié)構(gòu)各層層間位移角逐漸增大，限位剛度以1 s遞增時，由0變?yōu)? s，相比其他工況，層間位移角增加幅度最大。

(2) 一層隔震

由圖8可知，一層隔震限位和非限位時的層間位移角包絡圖呈D字形狀，層間位移角隨樓層的升高先增大后減小，最大層間位移角出現(xiàn)在三層，限位各層層間位移角均大于非限位，表明一層限位激發(fā)了結(jié)構(gòu)響應。當預留距離一定時，隨著限位剛度的增大，結(jié)構(gòu)各層層間位移角逐漸增大，限位剛度以1 s遞增時，由1 s變?yōu)? s，相比其他工況，層間位移角增加幅度最大。

圖8 一層隔震限位層間位移角包絡圖

(3) 二層隔震

由圖9可知，二層隔震限位和非限位時的層間位移角包絡圖，除在四層有個增大的凸起，總趨勢是隨樓層的升高而逐漸減小，最大層間位移角出現(xiàn)在一層。限位各層層間位移角均大于非限位，表明二層限位激發(fā)了結(jié)構(gòu)響應。當預留距離一定時，隨著限位剛度的增大，結(jié)構(gòu)各層層間位移角逐漸增大，限位剛度以1 s遞增時，由0變?yōu)? s，相比其他工況，層間位移角增加幅度最大。

圖9 二層隔震限位層間位移角包絡圖

(4) 三層隔震

由圖10可知，三層隔震限位和非限位時的層間位移角包絡圖呈S形狀，二層層間位移角最大，限位各層層間位移角均大于非限位，說明三層限位激發(fā)了結(jié)構(gòu)響應。當預留距離一定時，隨著限位剛度的增大，結(jié)構(gòu)各層層間位移角逐漸增大，限位剛度以1 s遞增時，由0變?yōu)? s，相比其他工況，層間位移角增加幅度最大。

圖10 三層隔震限位層間位移角包絡圖

(5) 四層隔震

由圖11可知，四層隔震限位和非限位時的層間位移角包絡圖呈D字形狀，二層層間位移角最大。結(jié)構(gòu)一層、二層層間位移角，部分限位工況小于非限位工況。當預留距離一定時，隨著限位剛度的增大，結(jié)構(gòu)各層層間位移角逐漸增大，限位剛度以1 s遞增時，由1 s變?yōu)? s，相比其他工況，層間位移角增加幅度最大。

圖11 四層隔震限位層間位移角包絡圖

5.2 限位對隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度響應影響分析

隔震限位工況下，隔震層和限位裝置發(fā)生碰撞，會導致主體結(jié)構(gòu)加速度增大，過大的加速度會引起樓房內(nèi)部人群的不適感。結(jié)構(gòu)最大加速度一般出現(xiàn)在頂層，下面對頂層加速度進行分析。

三條地震波作用下的五層頂板加速度絕對值最大值均值，如圖12所示。由圖12可知，當預留距離一定時，隨著限位剛度的增加，頂層加速度呈增大的趨勢；當限位剛度一定時，頂層加速度隨預留距離的變化無明顯規(guī)律。

5.3 限位對結(jié)構(gòu)響應影響的頻譜分析

利用SeismoSignal軟件對地震波1494fn作用下，jg、jx-70-1s、jx-70-3s工況的結(jié)構(gòu)頂層加速度時程進行快速傅里葉變換，得到加速度傅里葉幅值譜，如圖13所示。由圖可知，基礎隔震時，傅里葉幅值譜在0.40 Hz附近有一個較大的峰值，結(jié)構(gòu)第一自振頻率為0.39 Hz，說明基礎隔震時，結(jié)構(gòu)以第一振型響應為主；限位后，傅里葉幅值譜中2 Hz附近的幅值增大，說明限位碰撞激發(fā)了結(jié)構(gòu)高階振型的響應。對比圖13(a)與(b)，預留距離不變，隨著限位剛度的增大，激發(fā)的高階振型響應幅值增大。

(a) 頂板最大加速度均值隨限位剛度變化(預留距離70 mm)

(b) 頂板最大加速度均值隨預留距離變化(限位剛度3 s)

(a) jg與jx-70-1s工況結(jié)構(gòu)頂層加速度傅里葉幅值譜

(b) jg與jx-70-3s工況結(jié)構(gòu)頂層加速度傅里葉幅值譜

6 隔震限位結(jié)構(gòu)損傷分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞程度，可以將結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)分為多個等級；《建筑抗震設計規(guī)范》將不同破壞狀態(tài)下的豎向構(gòu)件分為四個等級：完好、輕微損壞、中等損壞和嚴重損壞，同時把最大層間位移角作為參考控制目標。鋼結(jié)構(gòu)各等級所對應的最大層間位移角限值分別為1/300、1/200、1/100和1/55，建議層間隔震限位結(jié)構(gòu)各性能狀態(tài)水平的層間位移角限值按表6取值。

表6 結(jié)構(gòu)各性能要求的層間位移參考值

當隔震支座水平位移超過275 mm、支座拉應力最大值超過1 MPa或?qū)娱g位移角超過各個性能狀態(tài)水平的量化限值時，均可認為結(jié)構(gòu)受到損傷。隔震限位結(jié)構(gòu)各工況下，隔震支座水平位移最大值、支座拉應力最大值和主體結(jié)構(gòu)最大層間位移角數(shù)據(jù)，繪制在圖14中。

對圖14中數(shù)據(jù)按損傷狀態(tài)進行分析。

(1) 限位時，限位剛度越大，隔震支座水平位移超限概率越小，支座拉應力超限概率越大。

(2) 限位相對于非限位結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)受到損傷概率增大。限位時，隨著限位剛度的增大，主體結(jié)構(gòu)損傷程度增大，對本文分析工況的主體結(jié)構(gòu)破壞等級均在LS4之下，主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌的概率較小。

(3) 通過隔震限位結(jié)構(gòu)損傷分析可以進行限位剛度優(yōu)選。對于本文分析結(jié)構(gòu)選取的3個預留距離，限位剛度在2～4 s之間時，限位效果最好，既能保證隔震支座不發(fā)生損壞，防止結(jié)構(gòu)傾覆，也能保證主體結(jié)構(gòu)受到的損傷較小。

7 結(jié) 論

對近斷層地震動作用下，層間隔震限位的5層鋼框架振動臺模型試驗，利用有限元軟件進行數(shù)值模擬，驗證數(shù)值模擬精度。在此基礎上建立試驗原型結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，進行285種工況的數(shù)值模擬計算，對限位效果和限位時隔震結(jié)構(gòu)的動力響應進行分析，主要結(jié)論如下：

(1) 不同層隔震限位，預留距離一定時，隨著限位剛度的增大，隔震支座水平位移減小，層間位移角增大，頂層加速度增大。

(a) 隔震支座最大位移

(b) 隔震支座最大拉應力

(c) 結(jié)構(gòu)最大層間位移角

(2) 不同隔震層限位，限位剛度一定時，隨著預留距離的增大，隔震支座水平位移增大。

(3) 非限位時，結(jié)構(gòu)以第一振型響應為主。限位碰撞激發(fā)了結(jié)構(gòu)高階振型的響應，隨著限位剛度的增大，激發(fā)高階振型的響應幅值增大。

(4) 限位剛度越大，預留距離越小，越能有效的限制隔震層水平位移。提出通過隔震限位結(jié)構(gòu)損傷分析進行限位剛度優(yōu)選的方法。對本文分析的3個預留距離，建議限位剛度取隔震層剛度的2倍～4倍。