摘要 為研究地基液化對(duì)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)特性的影響，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)再現(xiàn)了樁基基礎(chǔ)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系在液化場(chǎng)地上的地震反應(yīng)過(guò)程，分析了地基液化過(guò)程中基礎(chǔ)及隔震層振動(dòng)特性和隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明：地基液化后小高寬比隔震結(jié)構(gòu)的一階自振頻率較剛性地基時(shí)大幅增加，阻尼比較剛性地基時(shí)也明顯增加；液化地基上隔震層對(duì)群樁基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)起明顯的放大作用，隔震效能消失，但隔震層對(duì)樁基承臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起顯著的減震作用；液化地基上小高寬比隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)的分布規(guī)律與非液化地基上隔震結(jié)構(gòu)相比也具有明顯差異，呈現(xiàn)出彎曲放大的特點(diǎn)，隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值放大系數(shù)增大尤為明顯；液化地基上小高寬比隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移反應(yīng)遠(yuǎn)超剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的最大層間位移反應(yīng)，可能導(dǎo)致基于剛性地基假定設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)在地基液化時(shí)不滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞 隔震結(jié)構(gòu); 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn); 液化地基; 動(dòng)力特性; 地震反應(yīng)

引 言

隔震技術(shù)已經(jīng)被列為對(duì)未來(lái)地震工程有重要影響的先進(jìn)技術(shù)，目前中國(guó)已建成超過(guò)1.5萬(wàn)幢的隔震建筑。實(shí)際工程中隔震結(jié)構(gòu)可建于砂土地基上，而強(qiáng)震作用下砂土地基可能出現(xiàn)砂土液化的震害。歷次地震表明：砂土液化會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生巨大的破壞作用［1?3］，由此可見(jiàn)砂土液化可能對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征有著相當(dāng)大的影響。

目前，對(duì)可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究還相對(duì)較少，文獻(xiàn)［4］采用有限元分析軟件ABAQUS研究了砂土液化對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，初步給出了砂土液化對(duì)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響規(guī)律，但研究成果缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及模型試驗(yàn)的驗(yàn)證。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地基上的隔震結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了大量研究，主要研究方法可分為理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬［5?9］，其中基于地基土?隔震結(jié)構(gòu)相互作用的模型試驗(yàn)?zāi)軌蛴行?yàn)證相關(guān)的理論分析和數(shù)值模擬的正確性，模型試驗(yàn)是現(xiàn)階段分析地基土?結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的有效方法。李昌平等［10］對(duì)剛性地基和軟土地基條件下的高層隔震結(jié)構(gòu)模型開(kāi)展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，分析了高層隔震結(jié)構(gòu)在軟土地基條件下的振動(dòng)反應(yīng)特性及隔震效果，為相關(guān)理論研究提供了試驗(yàn)依據(jù)，但其高層隔震結(jié)構(gòu)模型的高寬比為大高寬比。文獻(xiàn)［8］分別對(duì)剛性地基和一般地基上隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了系列模型試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了模型地基剛度變化對(duì)隔震層的隔震效率和隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響規(guī)律。同時(shí)，Zhuang等［11］對(duì)軟夾層地基上基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，表明軟夾層地基上土?結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用效應(yīng)（SSI效應(yīng)）可增大也可減小隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，與輸入地震動(dòng)的特性相關(guān)。吳應(yīng)雄等［12］進(jìn)行了軟土地基條件下層間隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)下樁?土?層間隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律及減震效果。綜上所述，目前已進(jìn)行的隔震結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中，地基均未考慮可液化地基，而已有的可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析的初步研究成果有待模型試驗(yàn)驗(yàn)證。鑒于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］要求隔震結(jié)構(gòu)宜為小高寬比結(jié)構(gòu)，有必要開(kāi)展可液化地基上小高寬比隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探究可液化地基上小高寬比隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征及其抗震性能。

本文以可液化地基上小高寬比隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特征以及地基液化后隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果為研究目標(biāo)，考慮到鉛芯橡膠支座隔震是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用較多且可單獨(dú)使用的一種隔震結(jié)構(gòu)，結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)隔震結(jié)構(gòu)宜為小高寬比結(jié)構(gòu)（高寬比小于4.0）的要求，設(shè)計(jì)了可液化地基上樁基基礎(chǔ)小高寬比鉛芯橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)）振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方案。試驗(yàn)主要獲取了土體水平位移和沉降、土體加速度和動(dòng)孔壓、樁基動(dòng)力應(yīng)變、隔震結(jié)構(gòu)加速度和動(dòng)態(tài)位移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)分析地基液化過(guò)程中樁基基礎(chǔ)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力學(xué)特性和地震反應(yīng)規(guī)律。

1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)概況

1.1 相似比設(shè)計(jì)

在土?結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中將涉及到兩種或多種材料，要在試驗(yàn)中使模型的試驗(yàn)參數(shù)和原型參數(shù)完全滿(mǎn)足相似關(guān)系是十分困難的。試驗(yàn)中需研究多介質(zhì)耦合作用體系的相似比確定方法，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，考慮地基土?隔震結(jié)構(gòu)相互作用體系主要參數(shù)的相似性，本文模型結(jié)構(gòu)選取幾何長(zhǎng)度、彈性模量和加速度為基本物理量。模型地基選取剪切波速、密度和加速度為基本物理量，根據(jù)Bukingham定理，導(dǎo)出其他物理量的相似比。根據(jù)已有的研究，模型試驗(yàn)液化場(chǎng)地的剪切波速與原場(chǎng)地剪切波速之比約為1/2［14］；在可液化場(chǎng)地的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，地震動(dòng)持時(shí)壓縮比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，許成順等［15］建議在涉及可液化場(chǎng)地的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中所輸入的地震記錄采用原始持時(shí)地震動(dòng)記錄或按照較大時(shí)間相似比壓縮的地震動(dòng)記錄。因此，為保證模型地基液化效果，本次試驗(yàn)采用原始持時(shí)地震動(dòng)記錄作為輸入地震動(dòng)。模型體系相似關(guān)系如表1所示。

1.2 模型地基與結(jié)構(gòu)

本文模型結(jié)構(gòu)的相似比與文獻(xiàn)［16］非液化砂土地基上模型結(jié)構(gòu)的相似比相同，本文模型結(jié)構(gòu)尺寸、樓層配重同非液化砂土地基上鉛芯橡膠支座隔震鋼框架模型，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［16］。試驗(yàn)中隔震結(jié)構(gòu)模型的上部結(jié)構(gòu)采用4層鋼框架體系，縱向邊長(zhǎng)為0.8 m，橫向邊長(zhǎng)為0.6 m，鋼框架高度為2.1 m，底層層高為0.6 m，其他各層層高為0.5 m，激振方向模型高寬比為2.625，垂直激振方向模型高寬比為3.5，隔震結(jié)構(gòu)模型高寬比符合小高寬比隔震結(jié)構(gòu)要求。模型每層配重為736 kg，總配重為3.68 t。

試驗(yàn)中隔震支座采用直徑為100 mm的鉛芯橡膠支座，鉛芯橡膠支座的橡膠層數(shù)為22層，鋼板層數(shù)為21層，橡膠層厚為1.2 mm，疊層鋼板層厚為1.5 mm，鉛芯直徑為8 mm，隔震支座性能參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)［8］，隔震支座的布置如圖1所示。

模型基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，樁承臺(tái)平面尺寸為1.2 m×1.0 m×0.1 m。樁基礎(chǔ)共設(shè)6根樁，樁長(zhǎng)為0.8 m，截面為0.035 m×0.035 m，樁基礎(chǔ)模型如圖2（a）所示。

可液化場(chǎng)地的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以模型場(chǎng)地達(dá)到液化為主要目標(biāo)，結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.7條：采用樁基時(shí)，樁端應(yīng)伸入到液化深度以下的穩(wěn)定土層中。本文中可液化地基土層采用飽和砂土層模擬，其上覆不排水層采用一定厚度黏土模擬，在飽和砂土層以下設(shè)置一定厚度的黏土和碎石來(lái)模擬不透水層和基巖。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷鼗w尺寸為3.5 m（長(zhǎng)）×2 m（寬）×1.3 m（高），土層分為4層，自上而下設(shè)置為：100 mm厚黏土覆蓋層，700 mm厚可液化的飽和松散砂土層，300 mm厚的硬黏土層，200 mm厚的碎石層。模型地基碎石層均勻平鋪于模型箱底部，碎石層鋪設(shè)完成后采用分層壓實(shí)法鋪設(shè)硬黏土層，模型地基飽和砂土層采用水沉法進(jìn)行鋪設(shè)，飽和砂土層鋪設(shè)完成后，鋪設(shè)上覆黏土層然后注水，使地基土層充分飽和，裝填結(jié)束后靜置固結(jié)2天，最后抽走土箱內(nèi)多余存水。模型地基及上部結(jié)構(gòu)安裝完成后的整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2（b）所示。試驗(yàn)所用的模型土箱為層狀剪切變形土箱。該模型箱的凈尺寸為3.5 m（振動(dòng)方向）×2 m（橫向）×1.7 m（高度），由于該模型土箱的各層框架間可以自由地產(chǎn)生水平相對(duì)變形，對(duì)土的剪切變形幾乎沒(méi)有約束，大大減小了邊界對(duì)波的反射，故能較好地模擬土的邊界條件。

試驗(yàn)前對(duì)土層進(jìn)行取樣，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定模型土層物理參數(shù)，地表黏土層含水量為30.8%～33.7%，密度為1.78 g/cm3；地基飽和砂土含水量為40.5%～41.3%，密度為1.83 g/cm3，砂土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖3所示，其中細(xì)砂粒徑主要分布在0.075～1.0 mm，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為0.98%；地基下部硬黏土含水量為8.3%～9.2%，密度為1.87 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與加載方案

根據(jù)此次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)中測(cè)試模型結(jié)構(gòu)的加速度及水平位移、隔震支座的壓力及水平力、模型地基土的加速度、孔隙水壓力、水平位移和地表沉降、模型基礎(chǔ)承臺(tái)豎向加速度分量、水平向加速度分量、樁土界面的接觸壓力及樁身應(yīng)變。鑒于可液化地基?隔震結(jié)構(gòu)模型體系的振動(dòng)方向?yàn)檠啬Ｐ徒Y(jié)構(gòu)縱向，本次試驗(yàn)沿模型體系振動(dòng)方向（縱向）和垂直模型體系振動(dòng)方向（橫向）各設(shè)置一個(gè)觀(guān)測(cè)面，如圖4所示，其中模型體系縱向?yàn)橹饔^(guān)測(cè)面，模型體系橫向?yàn)榇斡^(guān)測(cè)面。

試驗(yàn)共設(shè)置土壓力計(jì)6只、孔壓計(jì)10只、豎向激光位移計(jì)2只、光纖光柵測(cè)點(diǎn)16個(gè)、非接觸動(dòng)態(tài)位移標(biāo)靶12個(gè)、力傳感器4個(gè)、水平加速度計(jì)17只、豎向加速度計(jì)4只、水平向激光位移計(jì)4只、攝像頭2個(gè)、攝像機(jī)1部。

考慮到可液化地基上振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中應(yīng)盡量減少振動(dòng)次數(shù)的原則同時(shí)結(jié)合以往國(guó)內(nèi)外同類(lèi)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)［14，17］，本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)僅選用普通地震動(dòng)El Centro波的原始持時(shí)地震動(dòng)記錄作為臺(tái)面輸入地震動(dòng)。

El Centro波為1940年美國(guó)Imperial山谷地震時(shí)記錄的地震波，該波原始峰值加速度為0.349g，強(qiáng)震部分持續(xù)時(shí)間約為26 s，El Centro波的加速度時(shí)程及其對(duì)應(yīng)的傅氏譜如圖5所示。此外，根據(jù)文獻(xiàn)［18］對(duì)于地震動(dòng)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，1）PGA/PGVgt;1.2，屬于高頻波；2）0.8lt;PGA/PGVlt;1.2，屬于中頻波；3）PGA/PGVlt;0.8，屬于低頻波，上述分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中PGA為地表地震動(dòng)峰值加速度，PGV為地表地震動(dòng)峰值速度。據(jù)此計(jì)算出El Centro波的PGA/PGV=0.92，屬于中頻地震波。

為測(cè)定可液化場(chǎng)地上隔震結(jié)構(gòu)模型體系動(dòng)力特性參數(shù)的變化，試驗(yàn)前后采用白噪聲對(duì)模型體系進(jìn)行掃描，以獲取模型體系的自振頻率和阻尼比。鑒于可液化場(chǎng)地條件下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)應(yīng)盡量減少激振次數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中按照逐級(jí)加載的方式加載，基巖地震動(dòng)峰值加速度（PBA）取0.1g，0.2g和0.3g，為保證模型地基中孔隙水壓力的充分消散，各加載工況之間的時(shí)間間隔不小于50 min，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的加載方案如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地基液化過(guò)程分析

為判定模型地基的液化狀態(tài)，定義動(dòng)孔壓比為土體空隙水壓力與土體有效自重應(yīng)力之比值，本文采用動(dòng)孔壓比作為描述模型地基液化狀態(tài)的無(wú)量綱參數(shù)，動(dòng)孔壓比能合理反映可液化模型地基的液化狀態(tài)［14?15］。圖6給出了不同輸入峰值加速度時(shí)模型地基各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)孔壓比反應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)?？傮w來(lái)看，動(dòng)孔壓比隨輸入峰值加速度的增大而增大。當(dāng)PBA=0.1g時(shí)，不同深度處各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)孔壓比峰值基本保持在0.6以?xún)?nèi)，模型地基未發(fā)生明顯液化，模型地基不同深度測(cè)點(diǎn)的孔壓比峰值隨埋深的增加呈逐漸減小趨勢(shì)，符合可液化地基動(dòng)孔壓比隨深度變化的一般規(guī)律。

當(dāng)PBA=0.2g時(shí)，除砂土層底部W3測(cè)點(diǎn)外其他各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)孔壓比峰值均達(dá)到或接近1.0，W3測(cè)點(diǎn)的動(dòng)孔壓比峰值也大于0.8。已有的研究指出［19］：在振動(dòng)作用下，一般認(rèn)為動(dòng)孔壓比達(dá)到0.8左右時(shí)土體產(chǎn)生初始液化，動(dòng)孔壓比達(dá)到1.0時(shí)土體達(dá)到完全液化，這表明本文模型地基已基本達(dá)到完全液化狀態(tài)，故模型試驗(yàn)終止加載。進(jìn)一步分析圖6可以看出，飽和砂土層頂部測(cè)點(diǎn)W1的動(dòng)孔壓比峰值最大，但測(cè)點(diǎn)W1需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間才達(dá)到動(dòng)孔壓比峰值，孔隙水壓力發(fā)展明顯滯后；飽和砂土層中下部測(cè)點(diǎn)W3和W6均在較短的時(shí)間即達(dá)到動(dòng)孔壓比峰值；上述分析表明：模型地基的液化程度與地震動(dòng)強(qiáng)度和測(cè)點(diǎn)深度相關(guān)，強(qiáng)地震動(dòng)作用下模型地基液化程度較高，動(dòng)孔壓比反應(yīng)幅值呈現(xiàn)出隨土層深度自上而下不斷減小的變化規(guī)律，埋深越深，測(cè)點(diǎn)孔壓比增長(zhǎng)到峰值所需的時(shí)間越短、發(fā)展越快。上述分析結(jié)果與許成順等［14］關(guān)于可液化場(chǎng)地?群樁基礎(chǔ)?結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)的研究結(jié)果基本吻合。此外，模型試驗(yàn)中還觀(guān)測(cè)到了地基液化誘發(fā)的地基震陷、噴水冒砂等宏觀(guān)現(xiàn)象（隔震結(jié)構(gòu)液化地基的動(dòng)力反應(yīng)特征見(jiàn)文獻(xiàn)［20］），上述分析說(shuō)明本文模型試驗(yàn)中模型地基的設(shè)計(jì)完全達(dá)到了研究模型地基液化及其規(guī)律的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2.2 模型結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力學(xué)特性

采用白噪聲對(duì)模型體系試驗(yàn)前后進(jìn)行掃描，得到可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)模型體系的一階自振頻率和阻尼比，如表3所示。表3中剛性地基、非液化砂土地基上隔震結(jié)構(gòu)及非隔震結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和阻尼比為文獻(xiàn)［16］已完成的不同地基上隔震結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的結(jié)果。與剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和阻尼比相比，可液化地基和非液化砂土地基上隔震結(jié)構(gòu)一階自振頻率和阻尼比的變化規(guī)律明顯不同。

綜合來(lái)看，主要有以下規(guī)律：可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)前（地基液化前）的動(dòng)力學(xué)特性變化規(guī)律與非液化砂土地基上隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性基本相似，其一階自振頻率較剛性地基時(shí)小幅降低，而阻尼比較剛性地基時(shí)明顯增加；在試驗(yàn)后（地基液化后）可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性發(fā)生了明顯變化，其一階自振頻率較剛性地基時(shí)大幅增加，增幅高達(dá)67.6%，而阻尼比較剛性地基時(shí)也增加了約10%。值得注意的是，試驗(yàn)后可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)（f1=4.39 Hz， ξ=9.68）與非液化砂土地基上非隔震結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)前的動(dòng)力特性參數(shù)（f1=4.36 Hz， ξ=9.70）基本吻合。從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)的角度來(lái)看，地基液化前后隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)發(fā)生了質(zhì)變，隔震結(jié)構(gòu)在地基液化后已演變?yōu)椤胺歉粽鸾Y(jié)構(gòu)”。

上述可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)的變化規(guī)律可做如下解釋?zhuān)嚎梢夯鼗吓c非液化砂土地基上的隔震結(jié)構(gòu)均受到土與結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)SSI的影響。已有的研究表明：考慮SSI效應(yīng)時(shí)，建筑基礎(chǔ)相對(duì)于地基產(chǎn)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)，改變了上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)方程，使上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征發(fā)生較大變化。對(duì)于非液化地基上的隔震結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)相對(duì)于地基的平動(dòng)反應(yīng)很小，轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)也相對(duì)較?。?6］，隔震結(jié)構(gòu)的隔震層水平位移反應(yīng)較大，上部結(jié)構(gòu)相對(duì)于基礎(chǔ)呈整體平動(dòng)。因此，非液化地基上隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征沒(méi)有發(fā)生較大變化，相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)也未發(fā)生較大變化。然而，對(duì)于可液化砂土地基上的隔震結(jié)構(gòu)，由于地基液化時(shí)基礎(chǔ)承臺(tái)下方的地基局部反力消失，基礎(chǔ)相對(duì)于地基的轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)增強(qiáng)，試驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到基礎(chǔ)承臺(tái)相對(duì)于地基產(chǎn)生劇烈搖擺，基礎(chǔ)承臺(tái)相對(duì)于地基的劇烈搖擺抑制了隔震層的水平變形，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)呈整體搖擺晃動(dòng)，上述分析表明地基液化后隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征已發(fā)生較大變化，其與非隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征相似，相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)也與非隔震結(jié)構(gòu)相近。

上述地基液化后隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化將對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的隔震效能產(chǎn)生顯著影響，隔震結(jié)構(gòu)的隔震機(jī)理是在建筑的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置柔性隔震層，延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的基本周期，從而避開(kāi)地面地震動(dòng)的主頻帶范圍，減免共振效應(yīng)，減小結(jié)構(gòu)的水平地震反應(yīng)。對(duì)于本文研究的可液化地基上的隔震結(jié)構(gòu)，地基液化后隔震結(jié)構(gòu)一階自振頻率較剛性地基時(shí)大幅增加（基本周期減?。鋭?dòng)力特性與非液化場(chǎng)地非隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性相近，而非隔震結(jié)構(gòu)的自振周期與地震動(dòng)的卓越周期接近，共振效應(yīng)將顯著增大隔震結(jié)構(gòu)的水平地震反應(yīng)，這與本文隔震結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)樓層加速度峰值放大系數(shù)相印證，上述分析表明地基液化后隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性完全不符合隔震結(jié)構(gòu)的隔震機(jī)理，導(dǎo)致隔震結(jié)構(gòu)無(wú)法起到水平隔震的作用。

2.3 隔震層振動(dòng)特性

已有的研究表明：土性地基上隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)及隔震層存在轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，其對(duì)上部結(jié)構(gòu)的隔震效果有較大影響［16］。本次試驗(yàn)中在基礎(chǔ)和隔震層頂面分別布置水平向加速度計(jì)A1和A7，同時(shí)在隔震基礎(chǔ)及隔震層頂部分別布置了豎向加速度計(jì)V1，V2和V3，V4（測(cè)點(diǎn)布置如圖4（a）所示），參照文獻(xiàn)［17］按以下兩式計(jì)算基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1和隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''2：

式中 L1為測(cè)點(diǎn)V1和V2的距離；L2為測(cè)點(diǎn)V3和V4的距離； V''1～V''4為測(cè)點(diǎn)V1～V4的實(shí)測(cè)豎向加速度。

表4給出了基礎(chǔ)A7測(cè)點(diǎn)及隔震層A1測(cè)點(diǎn)的水平向加速度反應(yīng)峰值。表5給出了基礎(chǔ)及隔震層的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)峰值。綜合分析表4和5可知，當(dāng)PBA=0.1g（地基未液化）時(shí)，隔震層對(duì)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)具有明顯的隔震作用（隔震效率為32.5%），隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起明顯的放大作用，這與文獻(xiàn)［16］非液化地基上隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究結(jié)果基本一致。

當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)，基礎(chǔ)的水平向加速度反應(yīng)峰值及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值較PBA=0.1g時(shí)劇增，其中PBA=0.2g時(shí)基礎(chǔ)A7測(cè)點(diǎn)的加速度反應(yīng)峰值較PBA=0.1g時(shí)增大了約13倍，PBA=0.2g時(shí)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1的峰值較PBA=0.1g時(shí)增大了約170倍，其原因在于地基液化后基礎(chǔ)承臺(tái)底部局部支撐反力的消失以及樁側(cè)阻力的減小，使基礎(chǔ)相對(duì)于地基產(chǎn)生了較大的平動(dòng)和劇烈的擺動(dòng)。當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)，隔震層對(duì)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)沒(méi)有隔震作用而有放大作用（隔震效率為-12.5%），而隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''2與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1的峰值比為0.25，隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''2的峰值較基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1的峰值顯著減小，但液化后隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''2的峰值仍然較大。上述分析表明：地基液化對(duì)隔震層的振動(dòng)特性影響較大，地基液化后隔震層的水平向加速度反應(yīng)峰值及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值較地基液化前顯著增大，地基液化后隔震層對(duì)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)起放大作用，但對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起顯著的減震作用。

為分析地基液化后隔震層對(duì)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)起放大作用的成因，圖7也給出了基礎(chǔ)A7測(cè)點(diǎn)和隔震層A1測(cè)點(diǎn)水平向加速度反應(yīng)的時(shí)程及傅里葉譜。由圖7可以看出，當(dāng)PBA=0.1g（地基未液化）時(shí)，隔震層對(duì)基礎(chǔ)A7測(cè)點(diǎn)傅里葉譜的影響表現(xiàn)為：隔震層使基礎(chǔ)A7測(cè)點(diǎn)的中高頻段（5.9～37.2 Hz）傅里葉譜值減小而低頻段（1.46～2.1 Hz）傅里葉譜值放大，傅里葉譜值由高頻向低頻移動(dòng)，這種振動(dòng)特性與非液化場(chǎng)地上隔震層的振動(dòng)特性測(cè)試結(jié)果一致。

當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)，隔震層對(duì)基礎(chǔ)A7測(cè)點(diǎn)傅里葉譜的影響與液化前明顯不同，其表現(xiàn)為：隔震層使基礎(chǔ)A7測(cè)點(diǎn)的低頻段（1.15～1.46 Hz）傅里葉譜值顯著放大，傅里葉譜值由低頻向更低頻方向移動(dòng)。上述分析表明：地基液化后隔震層對(duì)以低頻分量為主的基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)起放大作用。其原因與地基液化后液化土層的濾波效應(yīng)有關(guān)，由文獻(xiàn)［21］可知：液化土層具有吸收高頻波放大低頻波的作用，地基軟弱土層也有類(lèi)似作用，致使地震波傳播到A7測(cè)點(diǎn)時(shí)，大量高頻分量被吸收而低頻分量被放大，隔震層的振動(dòng)特性使A7測(cè)點(diǎn)的低頻分量進(jìn)一步被放大，從而使隔震層對(duì)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)起明顯的放大作用。

為分析地基液化后隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起減震作用的成因，圖8給出了基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1和隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''2的時(shí)程及傅里葉譜。由圖8可以看出，當(dāng)PBA=0.1g（地基未液化）時(shí)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1的主頻約為13.5 Hz，當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1的主頻約為1.17 Hz，這表明：地基未液化時(shí)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的頻譜特性以高頻分量為主，而地基液化后地基轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)的頻譜特性以低頻分量為主，其原因與基礎(chǔ)承臺(tái)下方土的密實(shí)性有關(guān)，地基土越密實(shí)，基礎(chǔ)的擺動(dòng)頻率越高，反之，基礎(chǔ)的擺動(dòng)頻率越低。地基液化前基礎(chǔ)承臺(tái)下方為飽和砂土，地基液化后基礎(chǔ)承臺(tái)下方變?yōu)橐后w狀態(tài)。進(jìn)一步分析圖8可以看出，當(dāng)PBA=0.1g（地基未液化）時(shí)隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1傅里葉譜的影響表現(xiàn)為：隔震層使基礎(chǔ)θ''1的傅里葉譜值明顯增大，其中中高頻段（9.5～37.2 Hz）傅里葉譜值顯著增大。當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度θ''1傅里葉譜的影響表現(xiàn)為：隔震層使基礎(chǔ)θ''1的傅里葉譜值明顯減小，其中低頻段（0.34～2.47 Hz）傅里葉譜值大幅降低。上述分析表明：地基液化前隔震層對(duì)以高頻分量為主的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起放大作用，地基液化后隔震層對(duì)以低頻分量為主的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起顯著的減震作用。其原因在于：隔震支座自身水平向剛度較小但豎向剛度較大，相應(yīng)的隔震支座水平向自振頻率為低頻，豎向自振頻率為高頻，因此，由隔震支座組成的隔震層對(duì)水平向高頻振動(dòng)和豎向低頻振動(dòng)具有較好的隔震效果，反之，隔震層對(duì)水平向低頻振動(dòng)和豎向高頻振動(dòng)則起放大作用。

2.4 模型結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)

2.4.1 加速度反應(yīng)

圖9給出了隔震結(jié)構(gòu)各樓層水平向的加速度反應(yīng)放大系數(shù)，圖中“0”層號(hào)代表基礎(chǔ)頂面。由圖9可以看出，當(dāng)PBA=0.1g（地基未液化）時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度放大系數(shù)在0.58～0.77之間，隔震效果明顯，隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)的分布以底層和頂層較大，中間層相對(duì)較小。這與文獻(xiàn)［16］中的非液化砂土地基上隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)的分布規(guī)律一致。當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)隨樓層的增高而增大，其中1～5層樓層加速度峰值放大系數(shù)在1.12～3.96之間，地基液化后隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度放大系數(shù)的分布曲線(xiàn)呈現(xiàn)彎曲放大的特點(diǎn)，該分布規(guī)律與文獻(xiàn)［16］中的非液化砂土地基上非隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度峰值放大系數(shù)的分布規(guī)律相似，但液化地基上頂層加速度峰值放大系數(shù)顯著增大，這可能是地基液化時(shí)隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)和隔震結(jié)構(gòu)頂層“鞭梢效應(yīng)”共同作用的結(jié)果。

上述分析結(jié)果與本文2.2節(jié)的分析結(jié)果相吻合：地基液化后隔震結(jié)構(gòu)失去原有的振動(dòng)特性，其振動(dòng)特性與非隔震結(jié)構(gòu)相似。其主要原因在于液化地基上土?結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用（SSI效應(yīng)）的影響更為強(qiáng)烈，隔震基礎(chǔ)相對(duì)于地基產(chǎn)生劇烈的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)峰值及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值在地基液化后劇增，隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的水平向加速度反應(yīng)及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)改變了隔震層的性能，使隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性呈現(xiàn)出與非隔震結(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)。

2.4.2 最大層間位移反應(yīng)

圖10給出了可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移，圖中樓層位置0代表隔震層。由圖10可以看出，當(dāng)PBA=0.1g（地基未液化）時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移的分布以底部隔震層較大，隔震層最大層間位移為4.35 mm，而上部其他層層間位移很小，隔震結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體平動(dòng)的特點(diǎn)，這與非液化地基上隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移的分布規(guī)律一致［16］。當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)隔震層的層間位移顯著增大，隔震層最大層間位移為18.76 mm，而上部其他層層間位移也顯著增大，上部結(jié)構(gòu)最大層間位移為7.07 mm，文獻(xiàn)［16］中的剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中不同地震動(dòng)強(qiáng)震（PBA=0.5g）作用下隔震結(jié)構(gòu)隔震層最大層間位移為7.9～10.2 mm，上部結(jié)構(gòu)最大層間位移為0.5～0.76 mm，由此可見(jiàn)，液化地基上隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移反應(yīng)遠(yuǎn)超剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的最大層間位移反應(yīng)，這可能導(dǎo)致基于剛性地基假定設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)在地基液化后不滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)要求。

2.4.3 整體傾斜率

震害調(diào)查表明，地基液化會(huì)導(dǎo)致地面建筑物發(fā)生不均勻震陷和傾斜，甚至倒塌。為分析可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)的傾斜率，本文引入隔震結(jié)構(gòu)整體傾斜率的概念，由于隔震結(jié)構(gòu)的傾斜主要是上部結(jié)構(gòu)相對(duì)隔震層頂板發(fā)生傾斜，本文定義隔震結(jié)構(gòu)的整體傾斜率β按下式計(jì)算：

式中 H為隔震結(jié)構(gòu)頂層處SH1測(cè)點(diǎn)和隔震層頂板處SH2的距離；S1，S2為測(cè)點(diǎn)SH1和SH2的實(shí)測(cè)水平位移。

圖11給出了可液化地基上隔震結(jié)構(gòu)整體傾斜率時(shí)程曲線(xiàn)。由圖11可以看出，當(dāng)PBA=0.1g（地基未液化）時(shí)，在地震動(dòng)輸入過(guò)程中隔震結(jié)構(gòu)整體傾斜率幅值較小，地震動(dòng)輸入結(jié)束時(shí)整體傾斜率絕對(duì)值也很小，僅為0.00026，當(dāng)PBA=0.2g（地基液化）時(shí)，在地震動(dòng)輸入過(guò)程中隔震結(jié)構(gòu)整體傾斜率幅值顯著增加，地震動(dòng)輸入結(jié)束時(shí)整體傾斜率絕對(duì)值為0.00228，上述分析表明：地基液化后隔震結(jié)構(gòu)震后整體傾斜率較地基液化前明顯增大，但地基液化后隔震結(jié)構(gòu)震后整體傾斜率仍然較小，試驗(yàn)中隔震結(jié)構(gòu)在震后沒(méi)有明顯的傾斜現(xiàn)象。這說(shuō)明液化地基上隔震結(jié)構(gòu)在震后可能不會(huì)出現(xiàn)明顯的傾斜震害。

文獻(xiàn)［14，22］振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的研究結(jié)果指出：液化地基條件下非隔震結(jié)構(gòu)在震后出現(xiàn)了明顯的傾斜震害。對(duì)比文獻(xiàn)［14，22］與本文的試驗(yàn)結(jié)果可知：液化地基上隔震結(jié)構(gòu)在震后的傾斜震害較非隔震結(jié)構(gòu)明顯降低，其原因在于：液化地基上隔震結(jié)構(gòu)的隔震層對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)有顯著的減震效果，其大幅降低了由基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)引起的整體傾斜，相應(yīng)的液化地基上隔震結(jié)構(gòu)的傾斜震害較非隔震結(jié)構(gòu)明顯降低。

3 結(jié) 論

完成了可液化地基上樁基基礎(chǔ)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與已有非液化地基上隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)分析了地基液化過(guò)程中樁基基礎(chǔ)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力學(xué)特性及其地震響應(yīng)規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1） 地基液化對(duì)樁基基礎(chǔ)小高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力學(xué)特性的影響非常明顯，其一階自振頻率較剛性地基時(shí)大幅增加，阻尼比較剛性地基時(shí)也增加明顯，地基液化后隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)與非液化地基上非隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)基本接近。

（2） 地基液化后小高寬比隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的水平向加速度反應(yīng)峰值及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值較地基液化前劇增，隔震層的水平向加速度反應(yīng)峰值及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度峰值較地基液化前也顯著增大。地基液化前隔震層對(duì)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)起隔震作用，但對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起放大作用；地基液化后隔震層對(duì)基礎(chǔ)水平向加速度反應(yīng)起放大作用，但對(duì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度反應(yīng)起顯著的減震作用。

（3） 地基液化前小高寬比隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度放大系數(shù)的分布以底層和頂層較大，中間層相對(duì)較小，隔震效果仍較為明顯。地基液化后隔震結(jié)構(gòu)樓層加速度放大系數(shù)隨樓層的高度增大而增大，頂層加速度峰值放大系數(shù)顯著增大，隔震作用基本消失。

（4） 液化地基上小高寬比隔震結(jié)構(gòu)的最大層間位移反應(yīng)遠(yuǎn)超剛性地基上隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的最大層間位移反應(yīng)，這可能導(dǎo)致基于剛性地基假定設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)在地基液化時(shí)不滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)要求。

上述發(fā)現(xiàn)還有待于通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析進(jìn)一步分析和驗(yàn)證。

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