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(yáng) 712000)

近年來(lái)，在我國(guó)境內(nèi)相繼發(fā)生了幾次大的地震，說(shuō)明我國(guó)很可能進(jìn)入了一個(gè)新的地震活躍期。從2008年四川汶川發(fā)生的8.0級(jí)地震和2010年青海玉樹(shù)發(fā)生的7.1級(jí)地震中獲得了大量的近斷層地震記錄資料。近斷層地震動(dòng)具有方向性效應(yīng)、速度脈沖效應(yīng)、上下盤(pán)效應(yīng)等，將顯著改變近斷層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)并加重震害。有學(xué)者研究了上下盤(pán)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)彈性及非彈性位移反應(yīng)的影響，研究表明：下盤(pán)效應(yīng)在長(zhǎng)周期段對(duì)結(jié)構(gòu)絕對(duì)位移的增大作用顯著；而上盤(pán)效應(yīng)在短周期段對(duì)結(jié)構(gòu)絕對(duì)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(dòng)的上盤(pán)效應(yīng)、速度脈沖效應(yīng)及方向性效應(yīng)對(duì)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(pán)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(pán)效應(yīng)、向前方向效應(yīng)、脈沖效應(yīng)及滑沖切效應(yīng)對(duì)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(pán)地震動(dòng)具有較大的能量輸入和加速度峰值，并且在傳播過(guò)程中使地面運(yùn)動(dòng)得到放大，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。在對(duì)斷層參數(shù)(如震級(jí)、斷層傾角、土體剪切波速及上埋置深度等)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響的研究表明：隔震結(jié)構(gòu)在下盤(pán)地震動(dòng)作用下的控制效果弱于上盤(pán)地震動(dòng)。

綜上所述，關(guān)于隔震結(jié)構(gòu)上下盤(pán)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(kāi)展滑移隔震結(jié)構(gòu)上下盤(pán)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(jì)算模型，輸入上盤(pán)地震動(dòng)和下盤(pán)地震動(dòng)，首先對(duì)地震動(dòng)記錄沒(méi)做任何調(diào)整，研究真實(shí)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)；其次結(jié)合當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)做法，對(duì)地震動(dòng)加速度峰值調(diào)幅，研究上下盤(pán)地震動(dòng)調(diào)幅后結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的分布規(guī)律；最后對(duì)比分析上下盤(pán)地震動(dòng)加速度峰值調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的變化規(guī)律，為近場(chǎng)區(qū)域帶限位裝置的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和評(píng)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)原型作為計(jì)算模型，具體如圖1所示。

圖1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?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。抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15g，場(chǎng)地屬Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，地震分組為第1組，場(chǎng)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(qiáng)度等級(jí)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?；浦С胁考?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(yàn)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(guó)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(dòng)，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(rùn)滑膜具有較高的強(qiáng)度，從而防止?jié)櫥ぴ诮饘俦砻嫱怀霾课槐淮┩?。MoS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(gè)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(duì)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(jìn)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(duì)限位消能部件進(jìn)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(pán)地震動(dòng)TCU078和下盤(pán)地震動(dòng)TCU110進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。地震動(dòng)TCU078：斷層距為8.27 km，持時(shí)為90 s，記錄步長(zhǎng)為0.005 s，峰值加速度(PGA)為439.7 cm/s，其加速度時(shí)程曲線如圖5所示。地震動(dòng)TCU110：斷層距為14.16 km，持時(shí)為90 s，記錄步長(zhǎng)為0.005 s，PGA為176.2 cm/s；其加速度時(shí)程曲線如圖6所示。

圖5 上盤(pán)地震動(dòng)TCU078加速度時(shí)程Fig.5 Acceleration time histories of hanging wall ground motion TCU078

圖6 下盤(pán)地震動(dòng)TCU110加速度時(shí)程Fig.6 Acceleration time histories of footwall ground motion TCU110

一方面對(duì)地震動(dòng)記錄沒(méi)做任何調(diào)整，避免調(diào)整干擾，研究真實(shí)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)；另一方面結(jié)合當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)做法，對(duì)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)調(diào)幅后結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的分布規(guī)律。

4.1 加速度反應(yīng)對(duì)比

圖7為上下盤(pán)地震動(dòng)調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)的絕對(duì)加速度對(duì)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(pán)地震動(dòng)作用下隔震層和頂層的加速度分別為：135.11、140.64 cm/s；上盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)作用下隔震層、頂層的加速度相比，下盤(pán)地震動(dòng)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(pán)的樓層加速度大于上盤(pán)的樓層加速度。文獻(xiàn)[3]上下盤(pán)地震動(dòng)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(shí)，下盤(pán)地震動(dòng)的譜加速度略大于上盤(pán)地震動(dòng)相應(yīng)值。調(diào)幅后下盤(pán)地震動(dòng)作用下隔震層和頂層的加速度分別為：274.26、215.72 cm/s；上盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)作用下隔震層、頂層的加速度相比，下盤(pán)地震動(dòng)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(pán)的樓層加速度大于上盤(pán)的樓層加速度。分析可知，調(diào)幅后上盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(shuō)明上盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(duì)比

圖8為上下盤(pán)地震動(dòng)調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)的最大層間位移反應(yīng)對(duì)比圖。

調(diào)幅前

從圖8可知，調(diào)幅前后下盤(pán)地震動(dòng)作用下的層間位移均大于上盤(pán)地震動(dòng)作用下對(duì)應(yīng)樓層的層間位移。調(diào)幅前下盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(duì)比

圖9為上下盤(pán)地震動(dòng)調(diào)幅前后結(jié)構(gòu)的最大層間剪力對(duì)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(pán)地震動(dòng)作用下的層間剪力均大于上盤(pán)地震動(dòng)作用下對(duì)應(yīng)樓層的層間剪力。調(diào)幅前上盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)作用下的層間剪力有所減小，但減小的幅度有限。而下盤(pán)地震動(dòng)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(yǔ)

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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)作用下的樓層加速度均大于上盤(pán)地震動(dòng)作用下的對(duì)應(yīng)樓層的加速度。調(diào)幅后上盤(pán)地震動(dòng)作用下的樓層加速度響應(yīng)有所減?。坏珳p小的幅度并不明顯，說(shuō)明上盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)作用下的層間位移均大于上盤(pán)地震動(dòng)作用下的對(duì)應(yīng)樓層的層間位移。下盤(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)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(pán)地震動(dòng)作用下的層間剪力均大于上盤(pán)地震動(dòng)作用下的對(duì)應(yīng)樓層的層間剪力。調(diào)幅后上盤(pán)地震動(dòng)作用下的層間剪力有所減小，但減小的幅度有限。而下盤(pán)地震動(dòng)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。