上下盤效應(yīng)對摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響

張 慧，張 超，肖青戰(zhàn)，程興旺

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

近年來，在我國境內(nèi)相繼發(fā)生了幾次大的地震，說明我國很可能進入了一個新的地震活躍期。從2008年四川汶川發(fā)生的8.0級地震和2010年青海玉樹發(fā)生的7.1級地震中獲得了大量的近斷層地震記錄資料。近斷層地震動具有方向性效應(yīng)、速度脈沖效應(yīng)、上下盤效應(yīng)等，將顯著改變近斷層結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)并加重震害。有學(xué)者研究了上下盤效應(yīng)對結(jié)構(gòu)彈性及非彈性位移反應(yīng)的影響，研究表明：下盤效應(yīng)在長周期段對結(jié)構(gòu)絕對位移的增大作用顯著；而上盤效應(yīng)在短周期段對結(jié)構(gòu)絕對位移的增大作用顯著；也有學(xué)者建立了12層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元模型，研究了近斷層地震動的上盤效應(yīng)、速度脈沖效應(yīng)及方向性效應(yīng)對高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，研究表明：上盤效應(yīng)和破裂方向性效應(yīng)增大了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。研究了上盤效應(yīng)、向前方向效應(yīng)、脈沖效應(yīng)及滑沖切效應(yīng)對山區(qū)多層基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。又有研究發(fā)現(xiàn)上盤地震動具有較大的能量輸入和加速度峰值，并且在傳播過程中使地面運動得到放大，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。在對斷層參數(shù)(如震級、斷層傾角、土體剪切波速及上埋置深度等)對隔震結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響的研究表明：隔震結(jié)構(gòu)在下盤地震動作用下的控制效果弱于上盤地震動。

綜上所述，關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)上下盤效應(yīng)研究較少，隨著滑移隔震技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，開展滑移隔震結(jié)構(gòu)上下盤效應(yīng)的研究顯得尤為重要。本文以硫化鉬(MoS)涂層材料作為摩擦材料，將U型帶片作為限位消能元件，形成摩擦滑移隔震裝置。建立一棟5層帶有限位裝置的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)計算模型，輸入上盤地震動和下盤地震動，首先對地震動記錄沒做任何調(diào)整，研究真實地震動對結(jié)構(gòu)的效應(yīng)；其次結(jié)合當(dāng)前抗震設(shè)計做法，對地震動加速度峰值調(diào)幅，研究上下盤地震動調(diào)幅后結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的分布規(guī)律；最后對比分析上下盤地震動加速度峰值調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的變化規(guī)律，為近場區(qū)域帶限位裝置的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計和評估提供參考。

1 工程概況

以一棟5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗原型作為計算模型，具體如圖1所示。

圖1 振動臺試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Shaking table test model

從圖1可知，該結(jié)構(gòu)底層層高為4.2 m，2～5層層高為3.6 m。向和向均為2跨，跨距均為6 m。各層樓板厚度為100 mm，屋面板厚度為120 mm；1～5層主梁截面尺寸為300 mm×600 mm，1～5層次梁截面尺寸為200 mm×400 mm，基礎(chǔ)框架梁截面尺寸為300 mm×600 mm；底層柱截面尺寸為750 mm×750 mm；2～5層柱截面尺寸為600 mm×600 mm?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15g，場地屬Ⅱ類場地，地震分組為第1組，場地特征周期為0.35 s；上部結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件采用混凝土強度等級為C30。屋面外圍梁上作用女兒墻荷載為4 kN/m，樓面外圍梁上填充墻荷載為10 kN/m；樓面恒荷載為5 kN/m，屋面恒荷載為7 kN/m；活荷載為2 kN/m，不上人屋面活荷載為0.5 kN/m。

2 滑移隔震裝置的組成

本文采用帶有限位裝置的摩擦滑移隔震裝置，具體如圖2所示。

圖2 摩擦滑移隔震裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of friction-slip isolation device

從圖2可知，該摩擦滑移隔震裝置由限位消能部件和滑移支承部件組成。限位消能部件是由A3鋼板冷彎加工形成的U型鋼片。滑移支承部件由3部分組成，即中間用低摩擦系數(shù)材料及上、下剛性支承板。其中低摩擦材料成分主要是二硫化鉬(MoS)，相關(guān)試驗表明：該材料的摩擦系數(shù)可最終穩(wěn)定在0.04～0.05，本文將摩擦系數(shù)設(shè)定為0.05。

摩擦材料MoS是由中國科學(xué)院蘭州物理化學(xué)研究所研制而成。MoS的晶體為層狀結(jié)構(gòu)的六方晶系，因此易于滑動，能夠起到減小摩擦的作用。并且S原子和Mo原子間的離子鍵使得MoS潤滑膜具有較高的強度，從而防止?jié)櫥ぴ诮饘俦砻嫱怀霾课槐淮┩浮oS化學(xué)安定性較好，具有良好的抗酸性和抗輻射性。摩擦材料MoS的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 摩擦材料MoS2的性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of friction materials MoS2

3 有限元模型建立

將限位消能部件和滑移支承部件布置在隔震層，限位消能部件布置在結(jié)構(gòu)向和向的上下基礎(chǔ)梁之間，每邊沿著基礎(chǔ)梁下端布置3個U型帶片限位消能部件。在基礎(chǔ)頂部與每根底層框架柱下部之間布置滑移支承部件。圖3為帶限位裝置摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)平面布置圖。

圖3 帶限位裝置摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.3 Layout plan of sliding isolation structure with displacement limit device

對于摩擦滑移隔震裝置的滑移支承部件，采用SAP2000中的Friction Isolator連接單元進行模擬，將Friction Isolator連接單元布置在每根底層框架柱下端，該連接單元不能承受軸向拉力?；赟AP2000提供的多段線性塑性連接單元對限位消能部件進行模擬。圖4為帶限位裝置的摩擦滑移隔震裝置限位消能部件骨架曲線示意圖。

圖4 限位消能部件骨架曲線示意圖Fig.4 Skeleton curve of displacement-limited device

限位消能部件的具體參數(shù)為：屈服前剛度=383 N/mm，屈服后剛度為=90.5 N/mm；屈服力=10.06 kN，最大荷載=18.10 kN；屈服位移Y=26.24 mm，最大位移為=156.46 mm。

4 工況分析

本文選取上盤地震動TCU078和下盤地震動TCU110進行動力響應(yīng)分析。地震動TCU078：斷層距為8.27 km，持時為90 s，記錄步長為0.005 s，峰值加速度(PGA)為439.7 cm/s，其加速度時程曲線如圖5所示。地震動TCU110：斷層距為14.16 km，持時為90 s，記錄步長為0.005 s，PGA為176.2 cm/s；其加速度時程曲線如圖6所示。

圖5 上盤地震動TCU078加速度時程Fig.5 Acceleration time histories of hanging wall ground motion TCU078

圖6 下盤地震動TCU110加速度時程Fig.6 Acceleration time histories of footwall ground motion TCU110

一方面對地震動記錄沒做任何調(diào)整，避免調(diào)整干擾，研究真實地震動對結(jié)構(gòu)的效應(yīng)；另一方面結(jié)合當(dāng)前抗震設(shè)計做法，對地震動加速度峰值調(diào)幅，將TCU078、TCU110兩條地震波的加速度峰值調(diào)整到310 cm/s，研究上下盤地震動調(diào)幅后結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的分布規(guī)律。

4.1 加速度反應(yīng)對比

圖7為上下盤地震動調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)的絕對加速度對比圖。

調(diào)幅前

從圖7可知，調(diào)幅前后帶限位裝置的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度反應(yīng)隨樓層高度增加均呈現(xiàn)出先減小后增大的“K”型分布。調(diào)幅前下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：135.11、140.64 cm/s；上盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：132.74、110.33 cm/s；與上盤地震動作用下隔震層、頂層的加速度相比，下盤地震動作用下的隔震層和頂層的加速度分別增加了1.79%、27.47%，調(diào)幅前均是下盤的樓層加速度大于上盤的樓層加速度。文獻[3]上下盤地震動的幅值譜可以解釋這一原因，該隔震結(jié)構(gòu)的自振周期為2.12 s，自振周期大于2.1 s時，下盤地震動的譜加速度略大于上盤地震動相應(yīng)值。調(diào)幅后下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：274.26、215.72 cm/s；上盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度分別為：120.69、95.10 cm/s；同理，與上盤地震動作用下隔震層、頂層的加速度相比，下盤地震動作用下的隔震層和頂層的加速度分別增加了127.24%、126.83%，調(diào)幅后也是下盤的樓層加速度大于上盤的樓層加速度。分析可知，調(diào)幅后上盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度相比調(diào)幅前分別降低了9.08%、13.80%。由此得出，調(diào)幅后上盤地震動作用下的樓層加速度響應(yīng)有所減小，但減小的幅度并不明顯，說明上盤地震動作用下的樓層加速度受到加速度峰值調(diào)幅的影響不是很顯著。而調(diào)幅后下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度相比調(diào)幅前有所增加，分別增加了102.99%、53.38%，調(diào)幅后下盤地震動作用下的樓層加速度增加幅度較大。

4.2 層間位移反應(yīng)對比

圖8為上下盤地震動調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)的最大層間位移反應(yīng)對比圖。

調(diào)幅前

從圖8可知，調(diào)幅前后下盤地震動作用下的層間位移均大于上盤地震動作用下對應(yīng)樓層的層間位移。調(diào)幅前下盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：9.71、8.02 mm；調(diào)幅后下盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：15.59、13.86 mm。由此可知，與調(diào)幅前相比，調(diào)幅后下盤地震動作用下的第1層和頂層層間位移均有所增加，分別增加了60.56%、72.82%。而調(diào)幅前上盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：1.68、2.80 mm；調(diào)幅后上盤地震動作用下第1層和頂層層間位移分別為：3.71、2.33 mm；調(diào)幅后上盤地震動作用下的第1層層間位移增加了120.83%，頂層層間位移減小了16.79%。由此可知，下盤地震動作用下的層間位移受到加速度峰值調(diào)幅的影響較大；而上盤地震動作用下層間位移受到加速度峰值調(diào)幅的影響與結(jié)構(gòu)樓層有一定的關(guān)系。

4.3 層間剪力對比

圖9為上下盤地震動調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)的最大層間剪力對比圖。

調(diào)幅前

從圖9可知，調(diào)幅前后帶限位裝置的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度反應(yīng)均隨樓層高度增加而減??；并且調(diào)幅前后下盤地震動作用下的層間剪力均大于上盤地震動作用下對應(yīng)樓層的層間剪力。調(diào)幅前上盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：677.45、154.95 kN；調(diào)幅后上盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：584.11、122.75 kN；與調(diào)幅前相比，調(diào)幅后上盤地震動作用下的第1層和頂層層間剪力均有所減小，分別減小了13.78%、20.78%。調(diào)幅前下盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：1957.62、356.25 kN。調(diào)幅后下盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力分別為：3 197.10、578.81 kN；調(diào)幅后下盤地震動作用下第1層和頂層層間剪力均有所增加，分別增加了63.32%、62.47%。由此可知，調(diào)幅后上盤地震動作用下的層間剪力有所減小，但減小的幅度有限。而下盤地震動作用下層間剪力受到加速度峰值調(diào)幅的影響較大，各層層間剪力的增加幅度均較大。

5 結(jié)語

本文研究了帶有限位裝置的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)在上下盤地震動調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)樓層加速度、層間位移、層間剪力的變化規(guī)律，可以得出：

(1)調(diào)幅前后下盤地震動作用下的樓層加速度均大于上盤地震動作用下的對應(yīng)樓層的加速度。調(diào)幅后上盤地震動作用下的樓層加速度響應(yīng)有所減小；但減小的幅度并不明顯，說明上盤地震動作用下的樓層加速度受到加速度峰值調(diào)幅的影響不是很顯著。而調(diào)幅后下盤地震動作用下隔震層和頂層的加速度相比調(diào)幅前有所增加；

(2)調(diào)幅前后下盤地震動作用下的層間位移均大于上盤地震動作用下的對應(yīng)樓層的層間位移。下盤地震動作用下的層間位移受到加速度峰值調(diào)幅的影響較大，而上盤地震動作用下層間位移受到加速度峰值調(diào)幅的影響與結(jié)構(gòu)樓層有一定的關(guān)系；

(3)調(diào)幅前后下盤地震動作用下的層間剪力均大于上盤地震動作用下的對應(yīng)樓層的層間剪力。調(diào)幅后上盤地震動作用下的層間剪力有所減小，但減小的幅度有限。而下盤地震動作用下的層間剪力受到加速度峰值調(diào)幅的影響較大，各層層間剪力的增加幅度均較大。