張 穎, 譚 平, 金建敏

(廣州大學 工程抗震研究中心，廣州 510405)

巨-子型結構控制體系抗震性能的試驗研究

張 穎, 譚 平, 金建敏

(廣州大學 工程抗震研究中心，廣州 510405)

研究開發(fā)了一種新型的高阻尼比減隔震支座，設計了一個與實際工程結構相接近的Y字型巨-子結構鋼模型，并分別對傳統(tǒng)巨-子型結構抗震體系和采用新型減隔震支座連接的控制體系進行了振動臺試驗。結果表明，與傳統(tǒng)的巨-子型結構抗震體系相比，新型的巨-子結構控制體系在地震作用下的反應顯著降低，具有良好的減震效果。由試驗觀察到的該控制體系減震機理與理論分析結果相吻合，可為工程設計和應用提供參考。

巨-子結構控制體系；減隔震支座；減震機理；振動臺試驗

巨-子型結構體系是適應高層建筑發(fā)展而出現的一種新型的結構體系，其中巨型主結構往往承受全部豎向和水平荷載，而子結構僅承擔局部的豎向荷載。巨-子型結構控制體系是在主結構與子結構的連接處設置減振裝置，通過合理的設計巨型主體結構和子結構間的連接參數以達到良好的減振效果。美國學者FENG等[1-2]首次提出了巨型框架減振結構模型及其振動控制策略；ZHANG等[3-4]對附加黏滯阻尼器的巨-子有控結構的阻尼參數進行了系統(tǒng)的探討，并研究了巨-子結構質量比對該有控結構的影響；劉海卿等[5]對采用疊層橡膠支座隔震的巨-子控制體系的地震響應規(guī)律和特點進行了研究；裴星洙等[6]提出在子結構頂部與主結構采用阻尼器連接的策略，可取得較好的減震效果并可防止子結構頂部與主結構的碰撞；藍宗建等[7-8]研究了巨型框架多功能減振結構的工作機理及控制效果，但其評價指標主要集中在主結構上。事實上巨-子型結構體系中的子結構提供著主要的功能作用，在考慮主結構抗震安全性的同時，子結構的舒適性和家具財產的保護也不能忽略。

本文研究開發(fā)了一種新型的減隔震支座，能同時提供較小的水平隔震剛度，飽滿的黏滯阻尼耗能以及防止支座受拉變形而產生搖擺效應。通過一個與實際結構體型接近的Y字型鋼框架模型，分別對巨-子型傳統(tǒng)抗震體系和新型減隔震控制體系進行了模擬地震振動臺試驗，對比研究了這種巨-子結構新型控制體系的抗震優(yōu)越性和減震機理，為解決巨型框架結構在地震下的安全和舒適性問題開拓了新的思路。

1 試驗概況

1.1 試驗模型的設計

試驗模型的平面設計圖如圖1所示?？拐鸾Y構、減隔震結構的試驗模型如圖2所示。其中主結構為4大層，2～4層主結構上分別布置3個7層子結構。底層主結構的層高為0.996 m，二～四層主結構的層高為1.02 m，子結構的層高0.12 m，結構的總高度為4.056 m。模型的縮尺比例為1/25。

圖1 試驗模型平面設計圖

(a)抗震結構

(b)減隔震結構

1.2 試驗模型方位圖

結構模型放置在振動臺上的方位示意圖見圖3。測點的布置主要考慮測試模型的動力特性、結構的地震反應以及關鍵部位的受力情況。本次試驗中，在各層主結構A點以及子結構的F1點、F2點以及F3點布置加速度傳感器或位移傳感器，從而得到相應結構位置的地震響應。

2 減隔震支座性能測試

本試驗采用的新型減隔震支座由三部分組成：導軌、彈簧以及小型的黏滯阻尼器，見圖4。導軌提供豎向剛度，彈簧提供彈性恢復力，阻尼器提供黏滯阻尼力。經優(yōu)化計算，每個子結構下的隔震層剛度設計為0.12 kN/mm。

圖3 結構模型在振動臺上的方位圖

圖4 支座

支座試驗采用正弦波位移加載，幅值取為5.5 mm，加載頻率分別采用0.005 Hz、0.05 Hz、0.2 Hz和0.5 Hz由慢至快變化。由于單個支座承受面壓很小，因此采用4個支座合并進行測試，見圖5，總面壓為32 kN，相當于試驗中4個子結構的重量之和。圖6分別為支座在不同加載頻率情況下的力-位移曲線。

圖5 支座測試試驗

(a)0.005 Hz

(b)0.05 Hz

(c)0.2 Hz

(d)0.5 Hz

其中，0.005 Hz加載頻率工況可視為靜力加載，支座的力-位移曲線僅包含彈性恢復力和摩擦力項，由此可求得支座的彈性剛度為0.126 6 kN/mm，與設計值誤差極小。支座的阻尼力(由于導軌的摩擦因數很小，可近似將其歸為黏滯阻尼力一并處理)是上述所測支座之合理分離減去支座的彈性恢復力，并通過不同速度下的最大阻尼力與速度的關系擬合出支座中黏滯阻尼器的阻尼系數為1.418 7，速度指數為0.275。從圖中可以看出，高速情況下阻尼器的阻尼出力與支座彈性恢復力相當，支座的等效阻尼比超過0.5，可為巨-子結構控制體系提供充足的阻尼耗能。

3 試驗結果分析

3.1 模型模態(tài)特征測定

試驗通過輸入加速度為0.05g的白噪聲來測試結構的動力特性，由頻譜分析得到抗震模型和減隔震模型的固有階頻率列于表1中?？梢?，在模型中加入減隔震裝置后會使結構的基本周期得到延長。

表1 結構模型固有頻率

3.2 模型地震響應分析

3.2.1 主結構地震響應

層間位移代表的是結構在往復作用下層間變形的大小，可直接用于評價結構在地震下的安全性能。圖7給出了各工況下，減隔震模型的主結構層間位移減震系數，定義為R=(D抗震-D減震)/D抗震。從圖中可以看出不同地震波作用下主結構層間位移的減震效果會有差異，這與地震波的頻譜特性有關。在加入減隔震裝置后，巨-子型結構的層間位移平均可減小30%～60%，極大的保護了結構在地震作用下的安全。同時，可以發(fā)現地震響應大的樓層，其減震效率也高，這是因為較大的位移響應能激起減隔震裝置更多的能量耗散。在對結構采用控制措施后，主結構的層間位移角沿樓層分布更加均勻合理，且全部位于彈性層間位移角限值以內。圖8為人工波輸入下主結構頂點A的位移時程對比，減隔震模型較抗震模型頂點位移響應顯著降低。

3.2.2 子結構地震響應

圖7 主結構層間位移減震系數

圖8 主結構頂點位移時程

圖9 子結構相對位移減震系數

圖9給出了各大層內子結構的頂層位移與底層相對位移的減震系數。由圖可以看出，減隔震模型的子結構相對位移要小于抗震模型的子結構相對位移，其平均減震效果為20%～30%。由于受子結構與主結構之間的空間限制，隔震延長的周期有限，子結構隔震后的頻率與主結構的基本接近，對主結構起到了TMD調諧的作用；而反之于子結構，TMD調諧使地震能量由主結構傳遞到功能子結構，會造成子結構自身的地震響應加大，這種放大的負作用可通過減隔震支座的粘滯阻尼器的阻尼耗能來抑制。也正因如此，子結構的位移減震效果不如外層巨型框架主結構明顯。圖10給出了人工波作用下第三大層子結構頂點的加速度時程減隔震模型與抗震模型的對比。可以發(fā)現，減隔震模型的子結構加速度響應顯著降低，很好的保護了子結構的舒適性和使用功能。

圖10 子結構頂點加速度時程

3.3 模型傳遞函數分析

以臺面實際地震波作為響應輸入，主結構A點頂層位移作為響應的輸出，對輸入與輸出做傅里葉變換即可得到相應的傳遞函數。圖11給出了人工波輸入下對應的位移傳遞函數。由圖可以看出，減隔震模型的位移傳遞函數與抗震結構相比均有大幅度降低，這是因為在加入減隔震支座后，結構的附加阻尼比大大增加，將減隔震模型的傳遞函數峰值壓低。減隔震模型的各峰值頻率較抗震模型均有降低，周期得到延長，但作用并不明顯?？梢妼τ谥鹘Y構和子結構質量相當的巨-子型結構控制體系，其減震機理主要為頻率調諧和能量耗散，與理論分析的結果相吻合[9]。此時，可將各子結構與主結構的連接層視為耗能層。眾所周知，結構的傳遞函數在頻域內反映了結構響應的大小，因此，進一步驗證了減隔震模型在控制地震作用下的有效性。

圖11 位移傳遞函數

4 結 論

本文研究開發(fā)了一種新型的高阻尼比減隔震支座，并將其設置于巨-子型結構的主框架與子框架連接處，可同時兼顧巨型主體框架和功能子框架的減震效果，減小隔震層的變形，節(jié)省了巨-子型結構中為防止碰撞而預留的空間。通過對一個與實際工程結構相近的模型進行振動臺試驗驗證了這種新型控制體系降低地震響應的有效性。分析表明，對于主框架，其地震響應可降低30%～60%；對于子結構，其地震響應可降低20%～30%。同時，通過試驗現象和結果歸納出該控制體系的減震機理主要為延長周期和耗能減振，與理論分析結果相吻合。巨-子型結構體系是一種新型的結構體系，巨型主框架可為功能子結構的搭建提供并行的施工平臺從而大大降低施工工期，具有廣闊的應用前景。本文的研究可望為該結構體系的工程應用奠定試驗基礎和提供指導方向。

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Experimental studies on seismic performance of a mega-sub control system

ZHANG Ying, TAN Ping, JIN Jianmin

(Earthquake Engineering Research & Test Center, Guangzhou University, Guangzhou 510405, China)

In this paper, a novel isolation device with high damping ratio was developed and introduced. Base on a designed Y style mega-sub steel structure model closed to a real engineering, the shaking table tests of the traditional mega-sub anti-seismic system and the new mega-sub control system set by the novel isolation devices were carried out separately. The results show that the response of the mage-sub control system under earthquake excitation is much less than that of the traditional mage-sub anti-seismic system and can be controlled well. The seismic reduction mechanism of this control system observed from the experiment is identical with the result from theoretical analysis. The conclusion of the research can be used as a reference for engineering design and application.

mega-sub control system; isolation device; seismic-reduction mechanism; shaking table test

教育部創(chuàng)新團隊研究計劃項目(IRT13057)；國家自然科學基金(51208129)；新世紀優(yōu)秀人才計劃(NCET-11-0914)；廣東省教育廳特色創(chuàng)新項目(2014KTSCX094)

2015-11-06 修改稿收到日期：2016-02-12

張穎 男，博士，助理研究員，1980年5月生

譚平 男，博士，研究員，1973年9月生

TU352.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.023