基于小波包能量的地基土對(duì)框筒結(jié)構(gòu)地震損傷影響試驗(yàn)研究

沈 超， 錢德玲

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009)

土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系長(zhǎng)期以來一直是國內(nèi)外地震工程的研究熱點(diǎn)課題。文獻(xiàn) [1-3] 表明：在地震作用下土-結(jié)構(gòu)相互作用體系通過地基土的能量耗散減小了上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和振動(dòng)基頻。但現(xiàn)有研究成果中的上部結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，多為單自由度體系或多自由度框架結(jié)構(gòu)。對(duì)于實(shí)際高層框筒結(jié)構(gòu)建筑，其地基土對(duì)上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響研究卻較為少見。相比結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)量的最值分析，小波包能量分析不僅能通過振動(dòng)波形分解、小波包系數(shù)和頻帶能量反映結(jié)構(gòu)的振動(dòng)強(qiáng)度、基頻和持時(shí)，還能通過能量變異最值指數(shù)反映結(jié)構(gòu)的損傷情況。因此，采用小波包能量理論研究土-框筒結(jié)構(gòu)高層建筑動(dòng)力相互作用體系的地震響應(yīng)具有十分重要的意義。

曹一龍等[4]采用小波包能量變異最值指數(shù)法對(duì)某八層混凝土框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了損傷評(píng)定。中國生等[5]通過小波包能量分解理論，建立了爆破沖擊波作用下考慮振動(dòng)強(qiáng)度、頻率和持時(shí)的建筑物結(jié)構(gòu)安全評(píng)估判據(jù)。Suarez等[6]通過小波包能量分解計(jì)算得到了不同烈度地震作用下某新型軟鋼阻尼器的能量耗散特點(diǎn)，并結(jié)合能量變異最值指數(shù)分析了地震作用下安裝該新型阻尼器的混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷情況。

1 結(jié)構(gòu)損傷的能量指標(biāo)定義

1.1 小波包分解和小波能量

小波包分解是基于小波變換的一種信號(hào)分解精細(xì)算法，該算法不僅具有小波變換的信號(hào)低頻部分精確分解的優(yōu)點(diǎn)，還能同時(shí)對(duì)高頻部分精確分解，從而大大提高信號(hào)分解的完整性。

假定某振動(dòng)信號(hào)f(t)經(jīng)過小波包的j層分解，每個(gè)分解信號(hào)x(t)可表達(dá)為[7]

(1)

其中，

(2)

(3)

將分解信號(hào)x(t)的平方在無限域上積分即可得到信號(hào)f(t)的總能量

“那以后有機(jī)會(huì)再講，我還是將那個(gè)男人的故事說完吧。S的前妻好像不止一個(gè)，但小說家沒交待清楚，也許小說家也沒有搞清楚。那個(gè)男人又不是小說家塑造的人物。這可能是那個(gè)男人的隱私，超出了小說家的掌控。當(dāng)然，跟S有染的異性之多就難以盡數(shù)了。”

(4)

(5)

(6)

1.2 能量變異最值指數(shù)

在地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)的損傷必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有特性的變化，從而使得結(jié)構(gòu)各頻帶能量發(fā)生重分布。通過對(duì)比損傷前后各頻帶能量的最大值，可直觀的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的損傷程度變化。定義能量變異最值指數(shù)為

(7)

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 模型的設(shè)計(jì)與制作

為使研究結(jié)果能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)地震作用下土對(duì)實(shí)際高層框筒建筑的損傷影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用某41層框架-核心筒高層建筑作為模擬對(duì)象。采用抽層的方法對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層中相鄰的上下樓板抽去，并將所抽去樓板的恒活荷載平均分配至相鄰的上下層樓板，抽層過程如圖1所示。根據(jù)強(qiáng)度和剛度等效原理對(duì)柱和核心筒截面進(jìn)行修正，并采用Buckingham π定理確定模型各參數(shù)的相似比例(見表1)。最終將41層的原型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為了縮尺比例為1/50的20層試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8-10]。

表1 模型相似比例

簡(jiǎn)化后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜拷Y(jié)構(gòu)高度為3.566 m，下部結(jié)構(gòu)為3×3的群樁基礎(chǔ)(見圖2)，圓樁樁徑0.08 m，樁長(zhǎng)0.72 m，承臺(tái)板尺寸為0.92 m×0.92 m×0.1 m的立方體。模型上部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸，見表2所示。模型材料選用與原型建筑材料力學(xué)性能相近的微粒混凝土、鍍鋅鐵絲和鐵絲網(wǎng)分別模擬原型建筑的混凝土、縱筋和樓板鋼筋網(wǎng)[11-12]。

試驗(yàn)采用柔性圓筒狀土箱裝填試驗(yàn)用土，相比剛性土箱和層狀剪切型土箱，柔性土箱能最大程度的降低“模型箱效應(yīng)”。該土箱直徑為3 m，土箱內(nèi)試驗(yàn)用土自下而上分別為0.5 m厚砂土、0.5 m厚砂質(zhì)粉土和0.1 m厚粉質(zhì)黏土。土箱的構(gòu)造和試驗(yàn)用土的粒徑，如圖3和圖4所示。

圖1 抽層過程Fig.1 The process of model simplifying

圖2 模型下部群樁基礎(chǔ)Fig.2 The view of the grouped piles foundation

樓層層高框架柱截面尺寸角柱邊柱梁截面尺寸主梁次梁樓板厚度剪力墻厚124055×5535×3545×3030×151560220655×5535×3545×3030×151560326455×5535×3545×3030×1515604～2016850×5035×3535×2025×151545

圖3 土箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure sketch of the soil box

圖4 試驗(yàn)用土粒徑曲線Fig.4 The particle size of soil

圖5 土-結(jié)構(gòu)相互作用模型Fig. 5 The soil-structure interaction model

圖6 樓層平面圖Fig.6 The plane graph of floor

2.2 模型簡(jiǎn)化方法可靠性驗(yàn)證

采用大型有限元軟件ANSYS建立了兩個(gè)數(shù)值模型：原型結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過對(duì)比兩個(gè)數(shù)值模型的固有振型、固有周期，以及不同峰值加速度下的最大層間位移和最大層間位移角來驗(yàn)證該簡(jiǎn)化方法的可靠性。

圖7給出了兩個(gè)數(shù)值模型的振型計(jì)算結(jié)果。由圖7可知，兩數(shù)值模型前5階振型一致；前2階振型分別為沿Y軸和X軸方向的平擺；第三振型為扭轉(zhuǎn)振型；第4、第5階振型分別為沿Y軸和X軸方向具有一個(gè)反彎點(diǎn)的擺動(dòng)。將兩個(gè)模型的固有周期、最大層間位移和最大層間位移角進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如表3～表5所示。固有周期最大誤差為2.6%，層間位移的最大誤差為5.42%，層間位移角的最大誤差為8.56%。簡(jiǎn)化模型與原型結(jié)構(gòu)的固有特性和動(dòng)力反應(yīng)較為接近，滿足振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)精度的要求。因此，該簡(jiǎn)化方法是合理的，簡(jiǎn)化后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂勺鳛樵囼?yàn)的研究對(duì)象。

圖7 振型圖對(duì)比Fig.7 Comparison on the model shape

振型第1階第2階第3階第4階誤差/%2.31.92.61.8

表4 層間位移的誤差

表5 層間位移角的誤差

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

為獲得上部結(jié)構(gòu)在多向地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)，兩種模型上部結(jié)構(gòu)沿高度方向均勻布置了27個(gè)加速度計(jì)。由于上部結(jié)構(gòu)相同，兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y(cè)點(diǎn)布置一致，加速度測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.8 The sketch of the arrangement of gauges

2.4 加載工況

振動(dòng)臺(tái)的設(shè)備性能是影響試驗(yàn)成功與否的重要因素。本次試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)引進(jìn)的MTS模擬地震振動(dòng)臺(tái)，該振動(dòng)臺(tái)采用電液伺服驅(qū)動(dòng)方式，具備三向六自由度試驗(yàn)?zāi)芰Γ_(tái)面編程、迭代補(bǔ)償、數(shù)據(jù)分析和處理以及管理等功能于一體。最大承載重量25 t，最大驅(qū)動(dòng)加速度為1.2g，能夠模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)、沖擊以及地震作用，該振動(dòng)臺(tái)設(shè)備性能能夠滿足本試驗(yàn)的需求。

試驗(yàn)選用兩條天然地震波(El Centro波和Kobe波)以及一條上海人工波作為振動(dòng)激勵(lì)。由原型結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募铀俣认嗨票壤齋a=3.8可得，在模擬7度、8度和9度工程場(chǎng)地地震作用時(shí)，輸入振動(dòng)臺(tái)的地震波峰值加速度應(yīng)分別調(diào)整為0.38g，0.76g和1.14g。FB和SSI兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募虞d工況完全相同，試驗(yàn)加載工況詳如表6所示。

表6 加載工況

2.5 破壞現(xiàn)象

試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)歷了加速度峰值從0.38～1.14g不斷增大的過程，結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象簡(jiǎn)述如下：

(1)7度罕遇水平地震作用后，F(xiàn)B模型無損傷發(fā)生，SSI模型上部結(jié)構(gòu)中部的外框架角柱發(fā)生寬度約為1 mm的水平裂縫，核心筒和群樁基礎(chǔ)均未出現(xiàn)明顯裂縫。

(2)8度罕遇水平地震作用后，F(xiàn)B試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐饪蚣苤撞堪l(fā)生寬度為1 mm的水平裂縫，核心筒無破壞現(xiàn)象；SSI試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜簶稑渡沓霈F(xiàn)約為1 mm的水平細(xì)微裂縫(見圖9)，上部結(jié)構(gòu)中部的外框架柱水平裂縫未發(fā)生明顯擴(kuò)大。

(3)9度罕遇水平地震作用后，F(xiàn)B試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐饪蚣苤撞克搅芽p繼續(xù)延伸，同時(shí)，核心筒出現(xiàn)寬度約為1 mm的水平裂縫(見圖10)；SSI試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧芽p無擴(kuò)大趨勢(shì)，受損情況與8度罕遇地震作用結(jié)果基本一致。

圖9 樁基的破壞Fig.9 The failure in piles

圖10 框架柱與核心筒的破壞Fig.10 The failure in frame column and core tube

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 分解信號(hào)波形分析

采用MATLAB軟件中Daubechies 15小波函數(shù)對(duì)FB和SSI兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募铀俣炔蓸有盘?hào)進(jìn)行小波包2層分解[13-14]。由于各工況采樣信號(hào)的小波包分解結(jié)果均呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)結(jié)果，鑒于篇幅有限，僅給出9度罕遇El Centrol波作用下FB和SSI試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)頂部沿X軸方向采樣信號(hào)的分解結(jié)果(見圖11)。

圖11 FB和SSI模型采樣信號(hào)分解Fig.11 Sampling signal decomposition of the FB and SSI models

由圖11可知，相比FB模型采樣信號(hào)的分解波，SSI模型分解波的加速度峰值明顯較小，這是土對(duì)振動(dòng)能量的耗散使得SSI上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量減小的結(jié)果。高次分解波的波形呈現(xiàn)為逐漸衰減的“拍”波形式，其峰值加速度量級(jí)極為微小，且1次波的小波包系數(shù)和頻帶能量(見圖12)均接近于1，說明高次分解波均為隨機(jī)噪聲波。因此，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼駝?dòng)主要由1次波控制，將采樣信號(hào)進(jìn)行2層小波包分解是合理的。

圖13給出了在9度罕遇El Centrol波作用下，F(xiàn)B和SSI兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌瑯菍拥目偰芰繗w一化比例結(jié)果。SSI模型各樓層總能量之和為0.044 J，遠(yuǎn)大于FB模型各樓層總能量之和0.006 J。FB模型各樓層的總能量隨樓層高度的增大而增大，而SSI模型各樓層的總能量隨樓層高度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。上述現(xiàn)象表明，相比FB模型，SSI模型的土耗散了6/7的地震能量，從而使得上部結(jié)構(gòu)所吸收的能量以及振動(dòng)強(qiáng)度大幅減小。同時(shí)，SSI模型改變了能量沿樓層高度的分布。

圖14給出了在9度罕遇El Centrol波作用下，F(xiàn)B和SSI兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌瑯菍拥募铀俣?次分解波。通過對(duì)比可知，SSI試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?層～第3層的峰值加速度略大于FB模型，其它樓層的的峰值加速度則明顯小于FB模型；FB模型的峰值加速度隨樓層高度的增大而增大，SSI模型的峰值加速度隨樓層高度的增大呈現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)。上述現(xiàn)象表明，土對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有減小的趨勢(shì)，但結(jié)構(gòu)沿高度方向動(dòng)力響應(yīng)變化的趨勢(shì)卻與剛性基礎(chǔ)有明顯差別。

圖12 分解波能量Fig.12 The energy of decomposition wave

圖13 不同樓層總能量對(duì)比Fig.13 Comparison on the total energy of different floors

3.2 分解信號(hào)頻譜分析

采用等能量的白噪聲對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行掃頻，從而獲取模型在地震作用下固有特性的變化[15-16]。FB和SSI模型各測(cè)點(diǎn)白噪聲1次分解波的頻譜區(qū)間、主頻率、主頻率變壞百分比以及小波包系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表7所示。

由表7可知，兩試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟鞴r下的小波包系數(shù)接近于1，表明兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诘卣鸺?lì)下主要呈現(xiàn)為基頻振動(dòng)。為受損前FB模型的基頻為7.12 Hz遠(yuǎn)大于SSI模型的基頻3.28 Hz，表明考慮地基土的能夠降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)的基頻。隨著地震烈度的增大，兩試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳喜拷Y(jié)構(gòu)基頻均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，表明結(jié)構(gòu)在地震作用下不斷發(fā)生破壞。9度罕遇地震作用下FB模型的基頻降低39.61%，而SSI模型的基頻僅降低14.02%，表明通過地基土的地震能量耗散，SSI模型上部結(jié)構(gòu)的破壞明顯小于FB模型。

圖14 不同樓層1次波對(duì)比Fig.14 Comparison on the 1st wave gauged at different floors

工況1次波頻譜區(qū)間/Hz基頻/Hz基頻變化百分比/%小波包系數(shù)WN1-FB0～12.07.1200.999 917WN2-FB0～12.06.3311.100.999 920WN3-FB0～12.05.5122.610.999 946WN4-FB0～12.04.3039.610.999 878WN1-SSI0～12.03.2800.999 905WN2-SSI0～12.02.969.760.999 886WN3-SSI0～12.02.9111.280.999895WN4-SSI0～12.02.8214.020.999 966

3.3 能量變異最值指數(shù)分析

圖15和圖16分別給出了不同烈度地震作用下FB和SSI試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌瑯菍拥哪芰孔儺愖畲笾抵笖?shù)(Maximum Energy Variation Index, MEVI )[17-18]。由圖15可知，F(xiàn)B模型不同樓層的MEVI隨地震烈度的增大而增大，8度罕遇地震作用后MEVI增幅最大，沿樓層高度方向的結(jié)構(gòu)底部MEVI最大。表明FB模型在地震作用下上部結(jié)構(gòu)受損程度隨地震烈度的增大而增大，結(jié)構(gòu)受到8度罕遇地震作用后損傷變化最為明顯，沿樓層高度方向上部結(jié)構(gòu)底部的最易發(fā)生損傷。

由圖16可知，SSI模型不同樓層的MEVI隨地震烈度的增大并未產(chǎn)生明顯的變化，沿樓層高度方向結(jié)構(gòu)中部的MEVI顯著大于其它各樓層。表明SSI模型在地震作用下，沿樓層高度方向的結(jié)構(gòu)中部受損最為嚴(yán)重，上述分析結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象也是相吻合的。

圖15 FB模型能量變異最值指數(shù)Fig.15 The maximum energy variation index of the FB model

圖16 SSI模型能量變異最值指數(shù)Fig.16 The maximum energy variation index of the SSI model

4 結(jié) 論

本文采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的方法從小波包能量的角度研究了土對(duì)高層框筒結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)的影響。通過對(duì)比FB和SSI兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌叶鹊卣鹱饔孟律喜拷Y(jié)構(gòu)的能量分布、振動(dòng)基頻變化以及易損傷部位的差別得到以下結(jié)論：

(1) 在地震作用下，經(jīng)土體的能量耗散SSI體系上部結(jié)構(gòu)的峰值加速度、振動(dòng)基頻以及所吸收的能量相比FB體系顯著降低。

(2) FB體系上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量隨樓層高度的增大而增大，而SSI體系則隨樓層高度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

(3) FB體系的損傷程度隨地震烈度的增大而增大，上部結(jié)構(gòu)的底部最易發(fā)生損傷；SSI體系的損傷程度隨地震烈度的增大不明顯變化，上部結(jié)構(gòu)的中部最易發(fā)生損傷。