地震速度脈沖下巨-子結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力性能研究*

李祥秀，王瑤，譚平，張穎，劉愛文

（1.中國地震局地球物理研究所 北京，100081）

（2.廣州大學(xué)工程抗震研究中心 廣州，510405）

1 問題的引出

巨型結(jié)構(gòu)體系因其良好的整體性、新穎美觀的結(jié)構(gòu)形式以及能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)的不同布局形式和功能要求等優(yōu)點(diǎn)，在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究中受到越來越多的關(guān)注。巨型結(jié)構(gòu)由主、子兩級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，主結(jié)構(gòu)是由不同于常規(guī)梁、柱結(jié)構(gòu)的巨型構(gòu)件組成，子結(jié)構(gòu)是由常規(guī)的梁、柱構(gòu)件組成，最后形成一種特殊的結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的概念［1-2］，是在巨型框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將子結(jié)構(gòu)頂部與主結(jié)構(gòu)底部的連接斷開，放松主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的側(cè)向連接，使主、子結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而形成的一種新型結(jié)構(gòu)體系。巨-子結(jié)構(gòu)隔震體系便是采取了這種理念，通過在巨型框架結(jié)構(gòu)中的主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)底部采用隔震裝置連接而形成的一種新的隔震結(jié)構(gòu)形式。文獻(xiàn)［3-5］最早提出這種具有多功能減震控制機(jī)構(gòu)的超高層結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)該結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成、調(diào)諧減振原理進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。劉良坤等［6］利用第2代非支配排序遺傳算法對(duì)巨-子結(jié)構(gòu)層間隔震體系進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，并通過仿真分析表明了文中所提方法的高效性與準(zhǔn)確性。譚平等［7］通過分析巨-子結(jié)構(gòu)隔震體系的動(dòng)力特性得出其在地震作用下的減震機(jī)理。李祥秀等［8］從理論和試驗(yàn)兩方面均證明了巨-子結(jié)構(gòu)隔震體系能夠有效地減小主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。顏學(xué)淵等［9］通過對(duì)巨-子結(jié)構(gòu)3維隔震的原型和縮尺模型開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和仿真分析，系統(tǒng)地研究了巨-子結(jié)構(gòu)3維隔震的減震機(jī)理。

圖1 巨-子結(jié)構(gòu)體系簡化圖Fig.1 Simplified diagram of mega-sub structural system

近斷層地震動(dòng)與遠(yuǎn)場地震動(dòng)有著顯著的不同，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)為長周期、大位移和速度脈沖等。最近幾年，許多學(xué)者關(guān)注并研究了含有速度脈沖的近斷層地震動(dòng)特性對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響。張瑩等［10］采用有限元方法對(duì)近斷層速度脈沖型地震動(dòng)引起的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)行為進(jìn)行了初步研究。王亞楠等［11］研究了脈沖型地震動(dòng)作用下隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響參數(shù)。吳應(yīng)雄等［12］通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析與驗(yàn)證了近、遠(yuǎn)場長周期地震動(dòng)中的長周期和近場脈沖特性對(duì)長周期的高層隔震結(jié)構(gòu)減震性能帶來的不利影響。喻雋雅等［13］利用SAP2000對(duì)某座實(shí)際連續(xù)梁橋建模，輸入有、無速度脈沖效應(yīng)的2類地震波，并以非減震橋梁為對(duì)比，考察了速度脈沖效應(yīng)對(duì)隔減震連續(xù)梁橋縱向地震響應(yīng)的影響。李小軍等［14］研究了速度脈沖對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，研究過程中選取了有速度脈沖特性的實(shí)際地震動(dòng)記錄及人工合成的具有相同加速度反應(yīng)譜而無速度脈沖的地震動(dòng)時(shí)程作為輸入，結(jié)果表明，速度脈沖會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。李祥秀等［15］以巨-子結(jié)構(gòu)抗震體系、隔震體系以及智能隔震體系為研究對(duì)象，通過輸入多組加速度反應(yīng)譜一致的包含和不含速度脈沖的實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄和人工合成地震動(dòng)時(shí)程，研究了速度脈沖對(duì)巨-子結(jié)構(gòu)體系在采用不同控制策略時(shí)地震響應(yīng)的影響。李小軍等［16］研究了地震動(dòng)的速度脈沖特性對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在采用不同高寬比時(shí)抗震性能的影響。

目前，速度脈沖對(duì)工程結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響方面已有眾多研究，并取得了很多有意義的理論研究成果，但速度脈沖作用下對(duì)結(jié)構(gòu)體系開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究較少。筆者基于以往對(duì)巨-子結(jié)構(gòu)體系理論分析的基礎(chǔ)上，制作了巨-子結(jié)構(gòu)抗震和隔震體系的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，選擇2組具有速度脈沖特性的實(shí)際地震動(dòng)記錄及人工合成的具有相同加速度反應(yīng)譜而無速度脈沖的地震動(dòng)時(shí)程作為輸入，對(duì)2種試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展近斷層速度脈沖作用下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究速度脈沖特性對(duì)巨-子結(jié)構(gòu)體系地震響應(yīng)的影響。利用SAP2000對(duì)2種試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真分析，并與振動(dòng)臺(tái)實(shí)測模型的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)結(jié)果對(duì)比，完善對(duì)相關(guān)規(guī)律和特性的認(rèn)識(shí)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

制作了2個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停嚎拐鸾Y(jié)構(gòu)模型和隔震結(jié)構(gòu)模型。材料采用Q235，縮尺比取1/25。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠矫嬖O(shè)計(jì)圖如圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖迷谡駝?dòng)臺(tái)上的方位示意圖如圖3所示。試驗(yàn)中，在各層主結(jié)構(gòu)A點(diǎn)及子結(jié)構(gòu)的F1點(diǎn)、F2點(diǎn)以及F3點(diǎn)布置了傳感器。圖4為抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫嬖O(shè)計(jì)圖（單位：mm）Fig.2 Graphic design of the experimental model（unit：mm）

圖3 結(jié)構(gòu)模型在振動(dòng)臺(tái)上的方位圖Fig.3 Orientation diagram of test model in shaking table

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Experimental models

2.2 隔震支座性能測試

試驗(yàn)采用的支座由3部分構(gòu)成：導(dǎo)軌、彈簧及小型的黏滯阻尼器。其中，導(dǎo)軌的功能是提供豎向剛度；彈簧的功能是提供恢復(fù)力；阻尼器的功能是提供阻尼力，其水平力學(xué)模型相當(dāng)于天然橡膠隔震支座和黏滯阻尼器并聯(lián)。采用壓剪試驗(yàn)機(jī)對(duì)該支座裝置進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)時(shí)由于單個(gè)支座承壓面積小，因此采用4個(gè)支座一起測試，如圖5所示。試驗(yàn)分9個(gè)工況進(jìn)行，不同工況中施加面壓均為32 kN，加載頻率和位移幅值分別為：①0.005 Hz，5 mm；②0.05 Hz，5 mm；③0.1 Hz，5 mm；④0.2 Hz，5 mm；⑤0.3 Hz，5 mm；⑥0.4 Hz，5 mm；⑦0.5 Hz，5 mm；⑧0.25 Hz，10 mm；⑨0.25 Hz，15 mm。導(dǎo)軌分為上下兩層，其中上導(dǎo)軌為x向，下導(dǎo)軌為y向，上下導(dǎo)軌試驗(yàn)工況相同。圖6為工況⑦下上層支座的滯回曲線。

圖5 支座測試試驗(yàn)Fig.5 Test of bearing

圖6 支座的滯回曲線Fig.6 Hysteretic curve of bearing

工況①可看作靜力加載，黏滯阻尼器是速度相關(guān)型阻尼器，因此基本不發(fā)揮作用，可以根據(jù)力-位移曲線求得支座的彈性剛度（4個(gè)支座總彈性剛度）。其中：x向支座彈性剛度為0.503 kN/mm；y向支座彈性剛度為0.502 5 kN/mm。由于導(dǎo)軌的摩擦力較小，近似將其等效于黏滯阻尼力的一部分，用總恢復(fù)力減去支座彈性恢復(fù)力可得到支座的阻尼力，即可以得到阻尼器的滯回曲線。上層導(dǎo)軌的阻尼器在工況⑦下第3圈的滯回曲線如圖7所示。通過不同加載速度下最大阻尼力與速度的關(guān)系可以擬合出x向?qū)к墝?shí)測值和擬合曲線關(guān)系，如圖8所示。此值可用于之后的仿真分析，即x向分析時(shí)阻尼器的阻尼系數(shù)為1.435 3，阻尼指數(shù)為0.290 5。同理可以求出y向分析時(shí)阻尼器的阻尼系數(shù)為1.998 4，阻尼指數(shù)為0.242。圖9為y向?qū)к墝?shí)測值和擬合曲線關(guān)系圖。

圖7 阻尼器的滯回曲線Fig.7 Hysteretic curve of damper

圖8 阻尼器x向的擬合曲線Fig.8 Fitted curve of damper in x direction

圖9 阻尼器y向的擬合曲線Fig.9 Fitted curve of damper in y direction

3 輸入地震動(dòng)

表1列出了本次試驗(yàn)中所采用的近斷層速度脈沖型地震動(dòng)記錄A1和A2的基本參數(shù)信息，其加速度時(shí)程和速度時(shí)程如圖10所示。針對(duì)每1條帶有速度脈沖的實(shí)際地震動(dòng)記錄，分別合成了1條人工地震動(dòng)時(shí)程，合成的人工地震動(dòng)時(shí)程與原始地震動(dòng)記錄相比，具有相同的加速度反應(yīng)譜和相近的時(shí)程強(qiáng)度包絡(luò)，但是不再具有速度脈沖特性。人工地震動(dòng)加速度和速度時(shí)程的樣本如圖11所示。

圖10 速度脈沖型地震動(dòng)記錄的加速度和速度時(shí)程Fig.10 Acceleration and velocity time histories of ground motion records with velocity pulse

圖11 人工合成地震動(dòng)的加速度和速度時(shí)程Fig.11 Acceleration and velocity time histories of synthetic ground motions

表1 近斷層速度脈沖型地震動(dòng)記錄參數(shù)Tab.1 Parameters of the near-fault ground motions with velocity pulse

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 模態(tài)特征測定

抗震結(jié)構(gòu)模型和隔震結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力特性可以通過輸入加速度為0.05g的白噪聲來測得。理論計(jì)算的結(jié)果是在SAP2000中建模并對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析得到。結(jié)構(gòu)模型的理論計(jì)算周期與試驗(yàn)測得的1階周期對(duì)比列于表2中。由表2可以看出，抗震結(jié)構(gòu)的理論周期與試驗(yàn)周期吻合較好，而隔震結(jié)構(gòu)的理論周期與試驗(yàn)周期相比有一定的誤差，但均在可接受范圍之內(nèi)。不論是試驗(yàn)測得還是理論計(jì)算，隔震結(jié)構(gòu)的周期相較于抗震結(jié)構(gòu)而言都有一定的延長。

表2 結(jié)構(gòu)模型特征Tab.2 Dynamic characteristics of the structural models

4.2 速度脈沖影響分析

以A1，A11，A2和A21作為地震動(dòng)輸入，對(duì)抗震結(jié)構(gòu)模型和隔震結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行7度小震（x，y向）、中震（x，y向）以及大震（x，y向）下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的加速度相似比為1.25，對(duì)應(yīng)7度小震、中震以及大震的加速度峰值分別為0.043 75g，0.125g和0.275g。

圖12～14給出了抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)在部分工況下主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的層位移在有無脈沖地震動(dòng)作用下的對(duì)比圖。定義位移反應(yīng)脈沖影響系數(shù)K=，其中：Di和Di1分別為速度脈沖型地震動(dòng)Ai和人工合成的無速度脈沖型地震動(dòng)Ai1引起的結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)。表3列出了隔震層位移的脈沖影響系數(shù)。

由圖12～14及表3可以看出，抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)在速度脈沖型地震動(dòng)作用下的位移反應(yīng)要大于無速度脈沖型地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，且速度脈沖地震動(dòng)對(duì)隔震層的位移反應(yīng)影響顯著，分析其原因主要為近斷層速度脈沖是震源破裂傳播過程中產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)引起，屬于具有較高能量的沖擊型地面運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，速度脈沖的長周期成分與巨-子結(jié)構(gòu)的基本周期接近，會(huì)引起共振效應(yīng)。因此，巨-子結(jié)構(gòu)體系在速度脈沖地震動(dòng)作用下的位移反應(yīng)要大于無速度脈沖地震動(dòng)作用下的位移反應(yīng)，這與以往所做理論分析得到的結(jié)論一致［15］。

表3 隔震層位移脈沖影響系數(shù)Tab.3 Pulse influence factor of the isolation layer displacement

圖12 抗震結(jié)構(gòu)模型主結(jié)構(gòu)層位移有無脈沖對(duì)比Fig.12 Comparison of inter-story displacements of the mega-structure in the aseismic test model and ground motions with and without pulses

圖13 隔震結(jié)構(gòu)模型主結(jié)構(gòu)層位移有無脈沖對(duì)比Fig.13 Comparison of inter-story displacements of the mega-structure in the isolation test model and ground motions with and without pulses

圖14 隔震結(jié)構(gòu)模型子結(jié)構(gòu)層位移有無脈沖對(duì)比Fig.14 Comparison of inter-story displacements of the sub-structure in the isolation test model and ground motions with and without pulses

5 仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

利用SAP2000對(duì)抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行地震反應(yīng)分析。圖15為仿真分析的有限元模型。在隔震結(jié)構(gòu)的仿真分析模型中，支座中的彈簧采用Rubber Isolator單元來模擬，黏滯阻尼器采用Damper單元模擬，其阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)的取值根據(jù)支座性能測試的結(jié)果確定。其中：x向時(shí)分別取值為1.435 3和0.290 5；y向時(shí)分別取值為1.998 4和0.242。以臺(tái)面反饋的地震波作為輸入，對(duì)2種試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈灰品磻?yīng)和加速度反應(yīng)進(jìn)行了分析研究，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖15 有限元分析模型Fig.15 Finite element model

部分工況下，抗震結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)層間位移和頂層加速度時(shí)程的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖16～17所示，隔震結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)層間位移、主結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程及隔震層頂層位移時(shí)程的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖18～20所示。

圖16 抗震結(jié)構(gòu)模型主結(jié)構(gòu)層間位移試驗(yàn)與理論值對(duì)比Fig.16 Comparison of the inter-story displacements from the test and numerical simulation of the aseismic mega-structure

圖17 抗震結(jié)構(gòu)模型主結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程試驗(yàn)與理論值對(duì)比Fig.17 Comparison of acceleration time histories from the test and numerical simulation of the aseismic top mega-structure

圖18 隔震結(jié)構(gòu)模型子結(jié)構(gòu)層間位移試驗(yàn)與理論值對(duì)比Fig.18 Comparison of the inter-story displacements from the test and numerical simulation of the isolation sub-structure

由圖16～20可以看出，結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理論值與試驗(yàn)實(shí)測值相比較具有一定的誤差，產(chǎn)生誤差的原因可能是：同一型號(hào)的隔震裝置在做不同的試驗(yàn)工況時(shí)，由于反復(fù)被使用且來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使隔震裝置產(chǎn)生一定的內(nèi)力和變形，這對(duì)它們的性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響，而有限元分析中得到的計(jì)算結(jié)果都是獨(dú)立的，未能考慮到這一因素影響。另外，人工安裝過程中配重施加的準(zhǔn)確性、各配件間的摩擦力、螺栓間的連接方式等因素也會(huì)影響試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，但不論是理論計(jì)算結(jié)果還是試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果，結(jié)構(gòu)整體的變化趨勢是一致的。

圖19 隔震結(jié)構(gòu)模型主結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程試驗(yàn)與理論值對(duì)比Fig.19 Comparison of acceleration time histories from the test and numerical simulation of the isolation top mega-structure

圖20 隔震層頂層位移時(shí)程試驗(yàn)與理論對(duì)比Fig.20 Comparison of the theoretical and experimental displacements of the top isolation layer

6 結(jié)論

1）理論分析結(jié)果和試驗(yàn)測試結(jié)果均表明，2種結(jié)構(gòu)體系在速度脈沖型地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)要大于無速度脈沖地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，即速度脈沖型地震動(dòng)會(huì)對(duì)主結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)產(chǎn)生放大效應(yīng)，特別是對(duì)隔震結(jié)構(gòu)中隔震層位移的影響顯著，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予重點(diǎn)考慮。

2）與抗震結(jié)構(gòu)相比，隔震結(jié)構(gòu)中的主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)都有所減小，說明采用子結(jié)構(gòu)隔震的巨-子結(jié)構(gòu)體系能有效減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性。

3）雖然抗震結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)響應(yīng)的仿真分析值與試驗(yàn)實(shí)測值相比具有一定的誤差，但是結(jié)構(gòu)反應(yīng)的整體變化趨勢是一致的。