上下盤斷層參數(shù)對RC框架結構地震響應研究(II：隔震)

汪大洋, 張永山, 唐承志, 韓啟浩(廣州大學 土木工程學院, 廣州 510006)

隨著20世紀90年代以來美國北嶺6.6級地震、日本神戶7.3級地震、土耳其伊茲米特7.8級地震、臺灣集集7.6級地震、汶川8.0級地震、玉樹7.1級地震以及日本福島7級地震等系列災難性地震的頻發(fā)，獲得了大量近斷層強震記錄資料，震害調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，與中遠場地震動相比，近斷層地震動具有明顯的速度脈沖和方向性效應[1-4]、顯著的豎向地震動[5-7]以及上下盤效應等[8-9]，將增大近斷層建筑結構的動力響應并加重震害[10]。Heaton等[11]指出當近斷層脈沖地震作用在長周期的基礎隔震結構時，隔震支座將產(chǎn)生很大的變形并有可能造成基礎隔震結構的傾側失穩(wěn)。楊迪雄等[12]以8條臺灣集集近震記錄、4條普通近震記錄、4條遠震記錄作為輸入，對兩幢安裝鉛芯橡膠隔震支座的鋼筋混凝土框架隔震結構進行了地震反應分析，定量說明隔震結構的近震脈沖效應顯著，是隔震設計不容忽視的問題。楊迪雄等[13]以18條上下盤集集地震記錄作為輸入，研究了一12層短肢剪力墻結構的動力響應，結果表明近斷層地震動上盤效應能明顯增大短周期剪力墻結構體系的地震反應。Abrahamson等[14]在研究美國北嶺地震時發(fā)現(xiàn)，上盤地震動具有較大的加速度峰值和能量輸入，且衰減緩慢，在傳播過程中會放大地面運動，對結構造成不利影響。目前，研究上下盤效應多針對非隔震結構，而隨著隔震和減震技術近年來的不斷推廣應用，有必要開展隔震結構的上下盤效應研究。作者在“上下盤斷層參數(shù)對RC框架結構地震響應研究(I：非隔震)”(以下均簡稱“文章I”)探討了震級、土體剪切波速、斷層傾角、上界埋置深度等上下盤斷層參數(shù)對四類RC框架結構動力響應的影響規(guī)律，本文將在此基礎上進一步探討其對相應隔震結構的影響。

1 隔震層設計與驗算

在“文章I”中共采用4層、8層、12層和16層四種框架結構，本文同樣采用該四種結構，其尺寸、材料、構件截面等參數(shù)均與上文相同，此處不再贅述，將重點放在隔震結構的設計及其合理性驗證上。

1.1 隔震層方案設計

經(jīng)計算，四種框架結構共設置鉛芯疊層橡膠支座(LRB)和普通疊層橡膠支座(LNB)各12個，圖1顯示了RC4結構隔震支座的布置位置，其余結構支座布置位置同類支座均相同。同樣采用有限元軟件平臺Etabs建立結構的三維數(shù)值模型，隔震裝置選用Etabs軟件自帶的Isolator1單元，隔震支座的設計參數(shù)見表1。

圖1 RC4結構隔震支座布置位置

1.2 隔震層設計合理性驗算

1.2.1 隔震層抗風驗算

隔震層的設計要求具有足夠大的初始剛度，以抵抗風荷載及小震下產(chǎn)生的位移，即滿足風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值VWK與分項系數(shù)γw之積小于抗風裝置的水平承載力設計值VRW。表2給出了四種結構的抗風驗算結果，可見所設計隔震層的抗風驗算滿足要求。

表1 隔震支座設計參數(shù)

表2 隔震層抗風驗算

1.2.2 隔震層偏心率驗算

表3給出了四種結構隔震層的偏心率驗算，可見結構偏心率最大為2.17%(RC4結構X方向)，滿足日本規(guī)范規(guī)定的隔震層在兩個主軸方向的偏心率應小于3%的要求[15]。

1.2.3 隔震支座壓應力驗算

在永久荷載和可變荷載的組合下，計算四種結構的隔震支座壓應力如圖2所示，可見均滿足丙類建筑隔震支座豎向壓應力15 MPa的限值要求。

表3 隔震結構偏心率的計算

圖2 隔震支座壓應力

2 隔震結構動力特性與水平向減震系數(shù)分析

2.1 隔震結構動力特性

表4給出了4種結構隔震和非隔震條件下周期的對比情況，可見隔震后結構固有周期顯著延長(如RC4模型隔震結構第一周期為3.038 s，非隔震結構第一周期為0.691 s，前者為后者的4.39倍；RC8模型隔震結構第一周期為3.645 s，非隔震結構第一周期為1.010 s，前者為后者的3.61倍)，有效避開場地卓越周期，有利于降低上部結構的地震反應。

表4 非隔震結構及隔震結構周期比較

隔震和非隔震結構前2階振型均以剪切變形為主，第3階陣型為扭轉變形，但隔震結構的變形主要集中在隔震層，上部結構近似平動，振型為“整體平動型”，而非隔震結構的變形由下而上逐漸放大，振型為“放大型”。

2.2 隔震結構水平向減震系數(shù)分析

水平向減震系數(shù)為隔震結構設計的重要參數(shù)之一，直接關系隔震結構設計的合理性，其取值為：對于多層建筑，為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值；對于高層建筑結構，尚應計算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值，并與層間剪力的最大比值相比較，去二者的較大值。

為計算隔震結構的水平向減震系數(shù)，首先根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)要求，選取7條地震波(人工合成地震波2條：Artificial-1波、Artificial-2波，天然記錄地震波5條：CHICHI波、IMPWALL波、LOMAP波、NWM波、SFERN波)。由于地震動的選用要求依據(jù)平均反應譜曲線與規(guī)范的反應譜曲線在統(tǒng)計意義上相符，在對應周期點上與規(guī)范反應譜曲線平均相差不大于20%，因此繪制七條地震波的反應譜曲線與規(guī)范反應譜對比圖，如圖3所示?？梢姡瑢芷邳c上7條地震波反應譜均值與規(guī)范反應譜具有良好的吻合性。

圖3 七條地震波反應譜與規(guī)范反應譜曲線對比

Fig.3 Contrast among the spectrum curves of the seven earthquake waves and the code spectrum curve

其次，基于所選取的7條地震波，對隔震和非隔震結構進行動力時程分析，進而計算隔震結構的水平向減震系數(shù)，見表5。由表5可見，四種隔震結構在七條地震動作用下的水平向減震系數(shù)最大值分別為0.115、0.128、0.152、0.300，說明所設計的4種隔震結構均具有良好的減震效果，隔震結構設計合理。

表5 隔震結構的水平向減震系數(shù)

3 斷層參數(shù)對隔震結構動力響應的影響分析

基于ASK模型，擬合得到不同震級(4級～8級，間隔1級，每個震級8條地震波，合計40條)、土體剪切波速(200 mm/s～1 000 mm/s，間隔200 mm/s，每個剪切波速8條地震波，合計40條)、斷層傾角(10°～90°，間隔20°，每個斷層傾角8條地震波，合計40條)、上界埋置深度(0 km～12 km，間隔3 km，每個埋置深度8條地震波，合計40條)下的上盤和下盤各80條地震動，持時均為40 s，時間間隔0.02 s。擬合過程同“文章I”。

3.1 震級

圖4顯示了不同震級條件下四種隔震結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移與場地距離之間的關系曲線?？梢?，四種隔震結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移均隨震級和結構高度的增加而不斷增大，說明隔震效果隨著震級和結構高度的增加而不斷降低，如圖4(d)中場地距離-10 km條件下隔震結構在6、7、8級地震下的水平向減震系數(shù)分別為0.325/0.381和0.428。其原因在于震級越大，輸入結構的能量也越大，結構動力響應也隨之增大；結構越高，結構由平動剪切變形逐漸向彎剪變形過度，動力響應隨之增大，因而隔震效果逐漸減弱。

下盤地震動條件下結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移均高于上盤地震動，表明相同條件下隔震對上盤地震動的控制效果優(yōu)于下盤地震動，如圖4(f)中7級地震下場地距離為-40 km和40 km時隔震層位移分別為309 mm和201 mm、相應圖4(b)中水平向減震系數(shù)分別為0.192和0.153。其原因在于相同條件下高頻部分的上盤效應顯著，而下盤效應偏于低頻部分，顯然上盤地震動的卓越周期小于下盤地震動，與隔震結構第一周期的差值相對下盤地震動較大，因而隔震效果更為明顯。

(a) RC4

(b) RC8

(c) RC12

(d) RC16

(e) RC4

(f) RC8

(g) RC12

(h) RC16

在不同場地距離條件下，下盤地震動對結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移的影響程度不大，如圖4(g)中7級地震下盤場地距離從-40 km變化到-10 km時，隔震層位移依次為385 mm、386 mm、388 mm和392 mm；然而，上盤地震動下，結構水平向減震系數(shù)隨場地距離增大呈現(xiàn)先減小后增大的“下凹型”變化趨勢，且該趨勢隨結構高度而不斷增大，如圖4(d)所示。

3.2 土體剪切波速

圖5顯示了不同土體剪切波速條件下四種隔震結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移與場地距離之間的關系曲線?？梢姴煌r下，結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移均隨著土體剪切波速的增大有一定程度的降低、但降低程度不大，說明相同條件下土體剪切波速越大隔震效果越好，其原因在于土體剪切波速越大，土體越堅硬[16]，相同條件下結構在硬質場地的隔震效果顯然優(yōu)于軟弱場地。如圖5(b)中場地距離30 km、土體剪切波速從200 m/s增大到1 000 m/s時，結構水平向減震系數(shù)依次為0.27、0.24、0.22、0.21、0.19，圖5(f)中相應隔震層位移依次為145 mm、125 mm、114 mm、105 mm、102 mm。同時，亦可發(fā)現(xiàn)在相同剪切波速條件下，結構隔震效果隨高度的增高而逐漸減弱。

下盤地震動作用下結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移均隨著場地距離(絕對值)的增大而增大，即在土體剪切波速一定時下盤場地距離越大隔震效果越差，如圖5(d)中土體剪切波速400 m/s、場地距離從-10 km變化到-40 km時，結構水平向減震系數(shù)依次為0.39、0.35、0.33、0.31，圖5(f)中相應隔震層位移依次為348 mm、330 mm、323 mm、317 mm。上盤地震動結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移與場地距離的變化關系亦呈現(xiàn)先減小后增大的“下凹型”變化趨勢，且該趨勢隨結構高度而不斷增大，如圖5(d)所示，說明上盤地震動在場地距離為20 km和30 km條件下更有利于隔震裝置發(fā)揮減震效果。

(a) RC4

(b) RC8

(c) RC12

(d) RC16

(e) RC4

(f) RC8

(g) RC12

(h) RC16

3.3 斷層傾角

圖6顯示了不同斷層傾角條件下四種隔震結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移與場地距離之間的關系曲線。通過“文章I”的分析中發(fā)現(xiàn)，斷層傾角對下盤地震動的PGA沒有影響，因而下盤地震動條件下斷層傾角對結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移沒有影響，在-40 km～-10 km范圍內(nèi)四個框架結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移與場地距離之間的變化曲線基本為一條直線，但二者均隨著結構高度增高而不斷增大，表明在結構參數(shù)一定時下盤斷層傾角不會影響隔震結構的減震效果，但結構高度增大時，隔震效果趨于下降。

上盤地震動條件下，結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移均隨斷層傾角和結構高度的增大而不斷增大。隨著斷層傾角的增加，結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移與上盤場地距離之間的關系曲線從先降后升逐漸變?yōu)橐粭l直線，即當斷層傾角達到90°時上盤場地距離對結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移已基本沒有影響，其原因在于隨著斷層傾角的增加，地震動豎向效應逐漸加重，當斷層傾角接近90°時，豎向效應最為明顯[17]，因而結構水平隔震效果逐漸減弱。同時，當斷層傾角接近90°時，基本不存在上下盤效應[18]，因而可以發(fā)現(xiàn)斷層傾角為90°時隔震結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移隨場地距離基本保持為一條直線。

3.4 上界埋置深度

圖7顯示了不同上界埋置深度條件下四種隔震結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移與場地距離之間的關系曲線?？梢姡辖缏裰蒙疃葘Ω粽鸾Y構動力響應的影響趨勢與斷層傾角類似。下盤地震動條件下，上界埋置深度對結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移無影響，隨場地距離基本保持不變，其原因在于上界埋置深度對下盤地震動PGA的影響較小。上盤地震動條件下，水平向減震系數(shù)和隔震層位移隨上界埋置深度的增大而不斷增大，當場地距離達到9 km以上時，隔震效果最差，其原因在于：當場地距離在0～9 km范圍內(nèi)時，結構上下盤效應顯著，地震動高頻成分多，卓越周期小，進而結構隔震效果好；當場地距離超過9 km時，上下盤效應隨上界埋置深度增大逐漸趨于1.0(見“文章I”)，即不存在上下盤效應，因為可以發(fā)現(xiàn)上界埋置深度達到12 km時隔震結構的水平向減震系數(shù)和隔震層位移隨場地距離基本保持為一條直線。

(c) RC12

(d) RC16

(e) RC4

(f) RC8

(g) RC12

(h) RC16

(a) RC4

(b) RC8

(c) RC12

(d) RC16

(e) RC4

(f) RC8

(g) RC12

(h) RC16

4 結 論

針對不同高度的四種隔震框架結構，探討了上下盤斷層參數(shù)對其動力響應的影響規(guī)律，研究結果表明：

(1) 在震級、土體剪切波速、斷層傾角和上界埋置深度四種斷層參數(shù)條件下，下盤地震動對隔震結構的影響要大于上盤地震動，結構水平向減震系數(shù)和隔震層位移均較大，說明結構參數(shù)一定時上盤斷層參數(shù)下的隔震控制效果優(yōu)于下盤。

(2) 下盤-40～-10 km場地范圍內(nèi)，隔震結構在同一震級、土體剪切波速、斷層傾角和上界埋置深度四種斷層參數(shù)時的動力響應基本保持不變，水平向減震系數(shù)和隔震層位移與場地距離之間的關系曲線接近直線；上盤10～40 km場地范圍內(nèi)，隔震結構在同一震級、土體剪切波速、斷層傾角和上界埋置深度四種斷層參數(shù)時的動力響應均呈現(xiàn)“下凹型”變化趨勢，以20 km～30 km場地范圍內(nèi)結構的隔震效果最優(yōu)。

(3) 下盤地震動作用下，隔震結構的控制效果隨震級的增大而減小、隨土體剪切波速的增大而增大、隨斷層傾角和上界埋置深度的增大基本保持不變；上盤地震動作用下，隔震結構的控制效果隨震級、斷層傾角和上界埋置深度的增大而減小，隨土體剪切波速的增大而增大。

(4) 在上下盤斷層參數(shù)相同的條件下，結構隔震控制效果均隨結構高度的增大而不斷降低。

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