基礎(chǔ)隔震建筑實際地震響應(yīng)實時監(jiān)測及分析

丁志斌 王 良 戴靠山，* 張世明 朱正言

基礎(chǔ)隔震建筑實際地震響應(yīng)實時監(jiān)測及分析

丁志斌1，2王 良1戴靠山1，2，*張世明3朱正言1

（1.四川大學(xué)土木工程系，成都 610065； 2.深地科學(xué)與工程教育重點實驗室，成都 610065；3.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

隔震建筑在實際地震中的響應(yīng)是研究其抗震性能的重要參考，通過分析隔震建筑體系（含隔震支座、阻尼器等）在地震作用下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，有助于提高隔震建筑分析和設(shè)計水平。在四川某學(xué)校建筑實施了基礎(chǔ)隔震加固，同時建立了基礎(chǔ)隔震建筑遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，對隔震建筑體系的位移、加速度，以及阻尼器的出力和行程等主要響應(yīng)參數(shù)進行實時監(jiān)測。自2019年6月以來，監(jiān)測系統(tǒng)獲得了多次地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括2019年宜賓系列地震、2020年成都青白江地震等。首先介紹了該隔震建筑體系及其遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，并基于近期主要地震下的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，分析與討論實際地震下的隔震建筑體系響應(yīng)。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)運行良好，所測數(shù)據(jù)有效可靠。

基礎(chǔ)隔震加固， 實時監(jiān)測系統(tǒng)， 隔震結(jié)構(gòu)， 宜賓地震， 地震響應(yīng)

0 引 言

2008年汶川地震造成大量建筑物破壞倒塌、人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此國家要求對教學(xué)樓等重要公共建筑采用更高的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這給傳統(tǒng)抗震設(shè)計帶來困難。在此背景下，消能減震及隔震技術(shù)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，已被列入我國當(dāng)前《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（CB 50011—2010）（以下簡稱《抗規(guī)》）［1］和相應(yīng)設(shè)計規(guī)程［2-3］。基礎(chǔ)隔震是一種典型的建筑結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)，通過在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)隔震層，延長結(jié)構(gòu)體系的自振周期，達到提高結(jié)構(gòu)抗震能力的目的。國內(nèi)外學(xué)者在隔震技術(shù)的理論分析、模型試驗、產(chǎn)品研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工等方面做了大量工作并取得重要成果［4-5］。鐘玉成等［6］分析比較了不同隔震體系下的水平向減震系數(shù)等計算結(jié)果，驗證了基礎(chǔ)組合隔震技術(shù)的優(yōu)越性。謝沐玄等［7］為保護歷史建筑提出了性能化隔震的兩階段設(shè)計方法，并結(jié)合實際案例分析驗證了其方法的合理性及有效性。

地震監(jiān)測以及隔震建筑在實際地震作用中的表現(xiàn)也備受關(guān)注［8-9］，研究隔震建筑在實際地震作用下的響應(yīng)有助于提高隔震建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計水平［10］。陳洋洋等［11］針對汶川災(zāi)后重建的隔震建筑使用了遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到小震作用下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)。杜永峰等［12］針對某基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計并構(gòu)建了健康監(jiān)測系統(tǒng)，記錄并分析了外界荷載作用下隔震層溫度和上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)。戴靠山等［13］對某小學(xué)宿舍樓進行隔震加固，同時設(shè)計并安裝了一套遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，成功采集到宜賓系列地震作用下結(jié)構(gòu)加速度、阻尼器出力等響應(yīng)數(shù)據(jù)。目前國外對強震作用下隔震建筑的地震響應(yīng)監(jiān)測和分析取得了較多成果［14-20］。Celebi［14］通過1994年北嶺地震下南加州大學(xué)（USC）醫(yī)院大樓的響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析了該基礎(chǔ)隔震建筑在大震下的性能。Hijikata等［18］則研究了日本311大地震期間福島第一核電站某基礎(chǔ)隔震建筑的表現(xiàn)。我國減隔震技術(shù)實施工程顯著增長的同時需同步推進監(jiān)測工作，為提升減隔震技術(shù)積累第一手實際數(shù)據(jù)。

在四川省某學(xué)校建筑的隔震加固改造過程中，設(shè)計并布置了一套監(jiān)測系統(tǒng)；基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助實時攝像裝置和遠程控制平臺，實現(xiàn)隔震建筑結(jié)構(gòu)遠程實時監(jiān)測，地震響應(yīng)數(shù)據(jù)實時采集和遠程傳輸。系統(tǒng)成功監(jiān)測到5級以上地震引起的隔震建筑體系地震響應(yīng)，獲得了阻尼器、隔震支座及隔震建筑結(jié)構(gòu)在實際地震作用下的響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對比分析隔震建筑在實際地震作用下的實測響應(yīng)與數(shù)值模擬結(jié)果，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行狀態(tài)評估，分析并驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

1 隔震改造設(shè)計和施工

某小學(xué)相鄰兩宿舍樓（左側(cè)為女生宿舍樓、右側(cè)為男生宿舍樓），分別為五層和四層磚混結(jié)構(gòu)，層高均為3 m，建筑面積約9 442 m2。上部結(jié)構(gòu)采用MU10普通燒結(jié)磚，M7.5水泥混合砂漿砌筑；現(xiàn)澆部分混凝土強度等級為C20，縱筋采用HRB335級，箍筋采用HPB235級；無地下室，基礎(chǔ)為墻下條形基礎(chǔ)。原抗震設(shè)防等級7度0.1，Ⅱ類場地第二組。

5.12汶川大地震中，建筑結(jié)構(gòu)局部輕微受損。為進一步滿足震后國家及四川省現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范及文件的最新要求，受業(yè)主委托對該建筑進行結(jié)構(gòu)抗震加固改造。采用基礎(chǔ)隔震的方式進行加固處理，隔震層高度為0.8 m，按照《抗規(guī)》中水平地震作用降低一度的隔震目標(biāo)分別進行抗震設(shè)計。設(shè)計的基本條件為：設(shè)防烈度為8度（0.2），設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期g=0.4 s，建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類）。

圖1　隔震系統(tǒng)平面布置圖

表1　 隔震支座性能參數(shù)

注：為基準(zhǔn)面壓；v為豎向剛度；d為初始剛度；h為等效剛度；d為屈服力。

表2　 阻尼器性能參數(shù)

實際實施中，隔震層采用增設(shè)墻下鋼筋混凝土托梁的方式進行托換改造。主要的施工環(huán)節(jié)如下：

（1） 場地整理。將室外散水拆除至滿足設(shè)計要求的寬度并留有足夠的施工作業(yè)面；室內(nèi)地坪拆除并保持干凈。室內(nèi)外土方挖至設(shè)計深度，寬度適度超挖滿足施工作業(yè)寬度，做好排水措施，避免基礎(chǔ)被雨水浸泡［圖2（a）～（d）］。

（2） 隔震層底施工。澆筑好墊層后拆除構(gòu)造柱，開鑿拉梁與支座洞口，開洞高度為結(jié)構(gòu)圈梁底至支墩底，磚墻開洞應(yīng)交錯進行，同一段墻體上避免同時進行多處開洞施工。開洞結(jié)束后，依次綁扎基礎(chǔ)梁及下支墩鋼筋、支設(shè)基礎(chǔ)梁模板、安裝橡膠支座下預(yù)埋件。澆筑混凝土至設(shè)計標(biāo)高，當(dāng)混凝土初凝時應(yīng)及時對隔震支座支墩頂面進行找平工作［圖2（e）～（k）］。

（3） 隔震層施工。當(dāng)隔震層底混凝土強度達到設(shè)計強度85%時吊裝橡膠隔震支座及上預(yù)埋件。依次在圈梁上部開洞及磚墻鉆孔、隔震層梁底支模、綁扎隔震層鋼筋（原結(jié)構(gòu)圈梁兩側(cè)新增圈梁鋼筋），同時將阻尼器、限位器安裝在相應(yīng)設(shè)計位置［圖2（j）～（q）］。

（4） 隔震層頂及附屬設(shè)施施工。隔震層樓板支模并布筋，然后澆筑隔震層梁、樓板混凝土，待混凝土強度達到設(shè)計強度75%后，拆除模板與殘余墻體。同時預(yù)留檢修通道，并在建筑的隔震層周邊砌筑凈距不小于300 mm的防震溝，做好防水處理［圖2（r）～（x）］。

圖2　施工現(xiàn)場

2 遠程監(jiān)測系統(tǒng)及實測地震響應(yīng)

基于動態(tài)測試平臺，在隔震建筑兩宿舍樓之間設(shè)置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站，在地面和樓層布設(shè)加速度傳感器、在隔震支座處布設(shè)位移計、在黏滯阻尼器處布設(shè)位移計及力傳感器，如圖3所示。基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助實時攝像裝置和遠程控制軟件平臺，實現(xiàn)隔震建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)遠程實時監(jiān)測。在隔震建筑的地面、隔震支座頂部以及樓頂分別布設(shè)三向加速度傳感器［圖3（a）］。在隔震建筑左、右單體隔震層，分別選取各單體中心及對角線位置處的隔震支座，設(shè)置支座位移監(jiān)測測點。依據(jù)所選隔震支座位置，女生宿舍位移測點編號為LD、C、RU；男生宿舍位移測點編號為LU、C、RD［圖3（b）］。每個位移監(jiān)測點，設(shè)置一組位移計，對應(yīng)于單體結(jié)構(gòu)的長軸方向和短軸方向。隔震層黏滯阻尼器分布及相應(yīng)的位移、力監(jiān)測測點布置及其編號如圖3（c）所示。圖4示意了隔震建筑實時監(jiān)測系統(tǒng)主要組成部分。

圖3　遠程實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點

圖4　隔震建筑遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)

表3　 監(jiān)測到的4次5.0級以上地震系統(tǒng)基本信息列表［19］

實測地震下的響應(yīng)為隔震設(shè)計的模型校核提供了數(shù)據(jù)支撐。2019年6月17日—2020年2月3日，四川省先后發(fā)生里氏4.0級以上地震27次，5.0級以上地震8次（注：數(shù)據(jù)來源于中國地震臺網(wǎng)www.ceci.ac.cn/speedsearch）。監(jiān)測系統(tǒng)成功監(jiān)測到多個數(shù)據(jù)，本文對2019年6月—2020年2月間，4次5.0級以上地震下實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)。表3列出4次地震的基本信息，其中震中宜賓市珙縣、長寧縣距隔震建筑所在位置約350 km，震中青白江區(qū)距離隔震建筑所在位置大約150 km。

表4給出了4次地震中隔震建筑的峰值加速度響應(yīng)。隨著地震強度的增加，峰值加速度響應(yīng)明顯增加。

表4　 地震作用下男女生宿舍樓的峰值加速度響應(yīng)

圖5給出2019年6月22日珙縣5.4級地震作用下隔震建筑不同樓層加速度響應(yīng)時程。由圖可知，地震作用下長軸向和短軸向加速度響應(yīng)，在男生宿舍1層（隔震層頂）、4層（建筑單體頂層樓板）處相較于隔震層底均有不同程度放大；同時，男生宿舍1層和4層平面不同位置測點的加速度響應(yīng)較接近。從監(jiān)測結(jié)果不難看出，雖然地震動強度較弱，隔震層還未能進入到充分工作狀態(tài)；然而，隔震層以上結(jié)構(gòu)大體呈現(xiàn)整體水平平動，隔震建筑的特點在一定程度上得以呈現(xiàn)。

圖5　隔震建筑實測加速度時程

6月22日珙縣地震作用下，隔震支座位移監(jiān)測測點、黏滯阻尼器出力監(jiān)測測點均捕獲明顯地震響應(yīng)信號；由于震中距離監(jiān)測系統(tǒng)所在地較遠，因此隔震支座位移及阻尼器出力值都較小，但監(jiān)測數(shù)據(jù)表明阻尼器出力桿已開始運動，如圖6所示。

圖6　6月22日珙縣地震作用下隔震層阻尼器出力時程

3 地震響應(yīng)數(shù)值模擬及對比

采用實際地震作用下隔震建筑基礎(chǔ)測點測得的水平向（向、向）地震加速度，作為有限元模型分析的輸入地震波。以2019年6月22日宜賓珙縣地震（M5.4）為例，有限元分析輸入地震波加速度時程曲線如圖7所示。

圖7　有限元數(shù)值模擬采用的地震波加速度時程

圖8給出隔震建筑加速度時程對比。以男生宿舍長軸向［圖8（a）］為例，70～90 s時段內(nèi)實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果在1層、4層處加速度響應(yīng)幅值較大；并兩者加速度響應(yīng)在78 s附近都達到峰值，峰值大小十分接近。對比基礎(chǔ)（隔震層底），無論是實測數(shù)據(jù)還是數(shù)值模擬結(jié)果在1層、4層處加速度響應(yīng)均有放大且放大程度基本一致。同時，男生宿舍1層、4層處加速度響應(yīng)時程的數(shù)值模擬結(jié)果同樣十分接近。分析表明兩者數(shù)據(jù)加速度時程變化趨勢一致，相似度較高，類似情況在隔震建筑其他監(jiān)測位置、監(jiān)測方向也均能體現(xiàn)。

圖8　隔震建筑加速度時程對比

表5對比了各監(jiān)測位置加速度峰值實測與有限元分析結(jié)果。在宜賓系列地震中以珙縣5.4級地震為例，女生宿舍短軸向基礎(chǔ)加速度峰值為0.88 gal，隔震層頂峰值加速度的實測數(shù)據(jù)為1.38 gal，與之對應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果為1.45 gal，兩者峰值大小接近，其放大倍數(shù)比為1.05；樓頂處實測數(shù)據(jù)為1.77 gal，數(shù)值模擬結(jié)果為1.99 gal，放大倍數(shù)比值為1.12。由表5可知，珙縣5.1級、長寧縣5.3級地震作用下，男女生宿舍各監(jiān)測位置處加速度峰值均出現(xiàn)類似的情形。針對表中出現(xiàn)男生宿舍樓頂和女生宿舍隔震層頂?shù)膶崪y與模擬分析有較大差距，分析其原因可能是由于結(jié)構(gòu)震動響應(yīng)較小，傳感器靈敏度水平和結(jié)構(gòu)模擬模型的不確定性等各方面原因?qū)е隆５珜Ρ瓤傻脤崪y與有限元分析結(jié)果在幅值量級、樓層放大效應(yīng)等方面趨勢一致，表明實時監(jiān)測系統(tǒng)運行正常，所測得數(shù)據(jù)有效。

表5　 男女生宿舍監(jiān)測位置加速度峰值實測與有限元分析結(jié)果對比

注：放大倍數(shù)比=實測數(shù)據(jù)較基礎(chǔ)放大倍數(shù)/模擬數(shù)據(jù)較基礎(chǔ)放大倍數(shù)。

地震作用下實測所得阻尼器出力時程與計算所得阻尼器出力時程對比如圖9所示。女生宿舍監(jiān)測位置處實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果阻尼器出力較大時段均為70～100 s，出力峰值接近均出現(xiàn)在80 s附近［圖9（a）］。連廊位置處實測阻尼器出力時程在80 s后呈現(xiàn)整體向上偏移變化趨勢，初步分析可能由于阻尼器工裝間隙以及力傳感器的頻響問題造成。但是，信號漂移發(fā)生在地震峰值時刻之后，考慮觀測目標(biāo)為最大阻尼器出力，并將與初始測試量的相對峰值作為力傳感器結(jié)果來考慮，這樣的誤差在可接受范圍內(nèi)。今后可以通過完善監(jiān)測傳感器和阻尼器連接工裝、改進數(shù)據(jù)分析算法等方法，進一步改進數(shù)據(jù)采集、處理與分析。對比圖中，阻尼器出力較大的持續(xù)時間，實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果保持一致（70～90 s），出力達到峰值同樣都在80 s附近，其峰值也保持在同一數(shù)量級［圖9（b）］。

圖9　地震作用下隔震層阻尼器出力時程對比

4 結(jié) 論

本文介紹了都江堰某學(xué)校建筑基礎(chǔ)隔震改造設(shè)計和實施過程，并介紹了該工程的遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)?；谶h程實時監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)次地震下隔震建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)合有限元數(shù)值模擬，分析得出以下結(jié)論：

（1） 2019年6月17日—2020年2月3日期間，成功監(jiān)測到隔震建筑在一系列地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。實測響應(yīng)數(shù)據(jù)表明，由于地震動強度較弱，隔震層運動幅值很小，還未能進入到充分工作狀態(tài)；隔震層以上結(jié)構(gòu)大體呈現(xiàn)整體水平平動，隔震建筑的特點在一定程度上得以呈現(xiàn)。

（2） 除常見的加速度響應(yīng)外，監(jiān)測系統(tǒng)還監(jiān)測到支座位移、阻尼器出力等隔震建筑體系其他響應(yīng)參數(shù)；對比實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)基本吻合，趨勢及量級保持一致，證明監(jiān)測系統(tǒng)工作正常，所得數(shù)據(jù)有效。

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［20］張強，劉文光，何文福，等.隔震結(jié)構(gòu)的強震觀測及數(shù)值響應(yīng)分析效果［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2012，28（3）：109-116.

Zhang Qiang，Liu Wenguang，He Wenfu，et al.Observation of strong earthquakes and effect of numerical response Analysis of isolated structures［J］.Structural Engineers，2012，28（3）：109-116.（in Chinese）

Real-Time Monitoring and Analysis of Seismic Responses of a Base-Isolated Building

DINGZhibin1，2WANGLiang1DAIKaoshan1，2，*ZhangShiming3ZhuZhengyan1

（1.Department of Civil Engineering，Sichuan University， Chengdu 610065， China； 2.MOE Key Laboratory of Deep Earth Science and Engineering，Sichuan University， Chengdu 610065， China； 3.College of Civil Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China）

Structural vibration and bearing working status of base-isolated buildings during earthquakes are important information for seismic performance evaluation of the structure.Actual responses of the building structure， bearings， and dampers under earthquakes are helpful for the improvement of seismic design. In this paper，a base-isolated system （BIS） was adopted to retrofit a school dormitory building in Sichuan Province. Along with the construction，a real-time monitoring system （RMS） was implemented.From June 2019 to February 2020，several earthquakes events in have been successfully recorded by the system. In this paper， the BIS and RMS of the dormitory building were introduced. Analyses and discussions were reported based on the comparison of monitoring data and numerical simulation results.Results show that the monitoring system has been operating well and data collected by the system are reliable．

Retrofit with base isolation， Real-time monitoring system， Base-isolated building， Yi-Bin Earthquake， Seismic response

2021-02-23

四川省科技計劃項目（2020YJ0078），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目

丁志斌（1981-），男，講師，博士，主要從事土木工程防災(zāi)研究。E-mail：zhibin@scu.edu.cn

聯(lián)系作者：戴靠山（1977-），男，教授，博士，主要從事土木工程防災(zāi)研究。E-mail： kdai@scu.edu.cn