蘭 香 潘 文 蘇何先 賴正聰 余文正

(1.昆明學(xué)院建筑工程學(xué)院, 昆明 650214; 2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院, 昆明 650500)

隨著《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》的頒布,隔震和減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用越來越廣泛。隔震結(jié)構(gòu)主要是利用水平向剛度較小的疊層橡膠支座來增大結(jié)構(gòu)周期,從而減小傳到上部結(jié)構(gòu)的地震作用,達(dá)到按照該地區(qū)設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施的目的,主要包括提供滯回耗能的有鉛芯支座和使結(jié)構(gòu)盡快回位的無鉛芯支座兩種。減震結(jié)構(gòu)則是為結(jié)構(gòu)附設(shè)耗能裝置來消耗地震能量,主要包括位移型阻尼器和速度型阻尼器兩大類,位移型阻尼器包含屈曲約束支撐,剪切型、彎曲型等金屬阻尼器和摩擦阻尼器;速度型阻尼器包含黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等。[1-2]

對于復(fù)雜的不規(guī)則結(jié)構(gòu),其抗震性能一直是業(yè)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題,采取更為有效的抗震方法和手段以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能是目前達(dá)成的共識。隔震和減震技術(shù)便是在這樣的背景下發(fā)展起來的,其在常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)中能夠取得很好的減震效果,而在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的減震效果則更具有優(yōu)勢。潘毅等對屈曲約束支撐進(jìn)行了深入的研究,提出同時(shí)采用普通型和早耗能型屈曲約束支撐的兩階段減震體系,能夠明顯提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能;[3]尚守平等設(shè)計(jì)和制作了1/2大比例縮尺房屋模型,對其進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),通過對隔震模型的動(dòng)力特性、地震響應(yīng)進(jìn)行分析,研究了新型鋼結(jié)構(gòu)隔震墩應(yīng)用于低層框架結(jié)構(gòu),其減震效果顯著,制作簡單、價(jià)格低廉、耐久性好,適于在廣大村鎮(zhèn)地區(qū)低層框架結(jié)構(gòu)中推廣使用。[4]文獻(xiàn)[5-6]介紹了對某復(fù)雜博物館隔震結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究,指出對于具有重要功能的建筑結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)具有十分重要的意義;王斌等對平面不規(guī)則復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,量測了模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、阻尼比及不同水準(zhǔn)地震作用下的動(dòng)力響應(yīng),并對結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理及模式進(jìn)行了相應(yīng)的研究,證明了原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。[7]

對于隔震和減震技術(shù)一起使用的研究相對較少,實(shí)際工程中僅像昆明長水機(jī)場、北京大興機(jī)場等大型建筑的隔震層使用了黏滯阻尼器以控制隔震層的位移,而將減震裝置附設(shè)在上部結(jié)構(gòu)的隔震結(jié)構(gòu)(將隔震與減震聯(lián)合在一起)很少,而這樣聯(lián)合消能減震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究則幾乎沒有,且聯(lián)合減震的減震機(jī)理也并不是十分清晰。故通過地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對某一博物館結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震和上部結(jié)構(gòu)附設(shè)屈曲約束支撐(BRB)的聯(lián)合消能減震方案進(jìn)行試驗(yàn)研究,以期對聯(lián)合減震結(jié)構(gòu)的減震效果及其方案的可行性、合理性進(jìn)行分析與研究,為今后聯(lián)合消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

澄江化石博物館是云南省重點(diǎn)工程之一,位于撫仙湖東北側(cè),帽天山國家地質(zhì)公園三級保護(hù)區(qū)內(nèi)。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類,安全等級為一級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1,建筑總高為31.80 m。工程抗震設(shè)防烈度為8度,基本地震加速度為0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第三組,場地類別為I1類,邊坡放大系數(shù)為1.6。博物館地處山頂,四周地形起伏坡度較大,按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求須考慮邊坡放大系數(shù)(該工程取1.6),在擬建項(xiàng)目以東約12 km處便是小江斷裂帶,須要采取強(qiáng)有力的抗震手段來保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。該博物館的建筑效果圖及三維模型如圖1、圖2所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural rendering

該結(jié)構(gòu)建筑面積為16 812 m2,樓層數(shù)為5層(不含隔震層),受建筑功能和造型影響,結(jié)構(gòu)沿立面傾斜,結(jié)構(gòu)2層以上樓板為跨層曲線屋面。結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱與鋼梁組成的框架結(jié)構(gòu)體系,樓面板為壓型鋼板與120 mm厚混凝土的組合樓面體系;梁、柱鋼材強(qiáng)度等級為Q390,鋼管柱截面主要有下部φ700×16、中部φ650×16及頂部φ650×12,內(nèi)灌 C50 混凝土,主、次梁截面主要為 H600×250×14×18和H400×145×10 ×16。該結(jié)構(gòu)有5處超限:1)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,結(jié)構(gòu)Y向的扭轉(zhuǎn)位移比達(dá)到1.29;2)平面凹凸不規(guī)則,平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長的30%,尤其是3～5層平面“開口”,其凹凸尺寸甚至達(dá)到邊長的60%以上;3)樓板不連續(xù),2層以上樓板是跨層曲線屋面,為錯(cuò)層結(jié)構(gòu);4)豎向剛度突變,結(jié)構(gòu)3～5層側(cè)向剛度均小于相鄰上一層的70%,X向、Y向的最大值分別為58.6%和41.3%;5)長懸挑,結(jié)構(gòu)門廳位置存在外挑,外挑尺寸為6 m。因此,該建筑屬于復(fù)雜超限的博物館建筑。

該博物館建筑屬于省級重點(diǎn)項(xiàng)目,須要保證里面存放文物的安全性,其抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。其抗震性能目標(biāo)一是要充分減小地震作用,二是要充分減少上部結(jié)構(gòu)的位移,這不僅有利于保護(hù)重要的文物,也能較好地保護(hù)博物館昂貴的裝修。為此,考慮到采用聯(lián)合減振的方案,即下部結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震,將水平地震影響系數(shù)從最大值0.256(0.16×1.6)減小至0.10,以大大降低結(jié)構(gòu)的水平地震作用,從隔震降度設(shè)計(jì)的理念降低已超過1度。而上部結(jié)構(gòu)采用屈曲約束支撐(BRB),實(shí)現(xiàn)多遇地震下不屈服,設(shè)防地震下部分不屈服,部分稍微屈服,罕遇地震下控制其屈服程度的目標(biāo);這樣使得BRB在多遇和設(shè)防地震作用下不屈服或部分稍微屈服,能夠?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)提供足夠的剛度以增強(qiáng)隔震效果,在罕遇地震作用下控制其屈服程度也不至于因屈服過多導(dǎo)致剛度下降過大而影響結(jié)構(gòu)的隔震效果。

通過以上分析,采用聯(lián)合消能減震方案(即底層橡膠支座隔震,上部結(jié)構(gòu)設(shè)置BRB)來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。經(jīng)過前期對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和有限元分析的方案對比,最終選用89個(gè)橡膠隔震支座和54個(gè)屈曲約束支撐。[8]為了進(jìn)一步驗(yàn)證采用該聯(lián)合減震方案的可行性,對該博物館結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。研究結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下的動(dòng)力特性變化;測試結(jié)構(gòu)在多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的加速度反應(yīng)和位移反應(yīng);量測隔震支座的滯回耗能特性等。在綜合分析試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上驗(yàn)證聯(lián)合減震結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)下的抗震性能,為后續(xù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 模型設(shè)計(jì)與制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型在設(shè)計(jì)、制作和地震輸入等方面須要與原型之間滿足幾何尺寸相似、材料性能相似、荷載性能相似和動(dòng)力特性相似,對于隔震層和上部減震結(jié)構(gòu)均應(yīng)重視其相似特性。[9-12]利用似量綱分析法須要滿足的方程為:

(1)

式中:SE為彈性模量相似系數(shù);Sρ為密度相似系數(shù);Sa為水平加速度相似系數(shù);SL為長度相似系數(shù)。

針對式(1)中的4個(gè)相似常數(shù),通常須根據(jù)試驗(yàn)條件確定其中3個(gè),進(jìn)而確定第4個(gè)相似常數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)參數(shù),SL取1/30;材料選用小直徑圓鋼管或方鋼管模擬,SE取1;考慮振動(dòng)臺(tái)能夠承受的重力等參數(shù),Sa取=1.5。主要相似關(guān)系及相似比如表1所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕嗨脐P(guān)系Table 1 Main similiarity relations for the test model

原結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土柱、鋼梁及混凝土樓板構(gòu)成,存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)等問題,加之1/30的小比例尺模型將會(huì)受到尺寸效應(yīng)的影響,故結(jié)構(gòu)采用彈性模型進(jìn)行試驗(yàn),主要研究模型的層間位移角、模型的損傷趨勢及構(gòu)件的相對薄弱區(qū)域等整體性能。

考慮到支座大小及數(shù)量的限制,根據(jù)支座等效水平剛度及豎向承載力相似的原則,將原結(jié)構(gòu)的89個(gè)支座(54個(gè)有鉛芯支座LRB1000和35個(gè)無鉛芯支座LNB1000)等效為模型試驗(yàn)中的6個(gè)相同的LRB300支座,試驗(yàn)支座力學(xué)參數(shù)(平均值)如表2所示。

表2 隔震支座力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of isolation bearings

該結(jié)構(gòu)試驗(yàn)為1/30的縮尺試驗(yàn),在這樣的小比例尺模型中,BRB已不能做成同樣比例大小的試件。充分考慮方案的可行性后,在試驗(yàn)中分別采用直徑為8,10,12 mm的HPB300光圓鋼筋制作成如圖3所示的形式,利用鋼筋彎曲部分弧形頂點(diǎn)處的屈服來模擬BRB的屈服,試驗(yàn)中通過測試BRB直線段的應(yīng)變來判定弧形頂點(diǎn)是否屈服。鋼筋弧形頂點(diǎn)處屈服承載力為:

圖3 BRB模擬大樣 mmFig.3 Details of simulated BRBs

fy=(NΔ)/W+N/A

(2)

式中:N為軸力;A為鋼筋面積;W為鋼筋的截面抵抗矩;軸力N對鋼筋弧形頂點(diǎn)的力矩值NΔ即為弧形頂點(diǎn)所受的彎矩M,Δ在圖3中為20 mm。

2.2 模型制作

模型制作時(shí),要明確原型結(jié)構(gòu)的主要受力體系,把握主要特征,在不改變結(jié)構(gòu)受力機(jī)制的前提下作適當(dāng)簡化。模型簡化原則:按質(zhì)量、剛度等效的原則對次梁等次要構(gòu)件,要求簡化前后結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、地震響應(yīng)偏差較小。模型如圖4所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟x用的材料為不同直徑的Q235熱軋圓鋼管和部分方鋼管。

a—梁柱節(jié)點(diǎn); b—試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀D4 模型制作Fig.4 Fabrication of the model

整個(gè)模型固定在2 cm厚的隔震層樓板(鋼板)上,隔震層樓板與隔震墊相連后形成隔震層;第2層板厚為6 mm,其他層板厚均為4 mm。模型制作完成后(含底梁)質(zhì)量為2.94 t,按照人工質(zhì)量模型考慮的配重塊為20.43 t,最終的模型總質(zhì)量為23.37 t,詳細(xì)信息見表3。

表3 模型質(zhì)量信息Table 3 Model mass information

2.3 模型安裝

底梁上的預(yù)留鋼板要求接觸面平整,與隔震支座上法蘭板的孔位準(zhǔn)確匹配;支座上端與隔震支座下法蘭板準(zhǔn)確連接,支座下端與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面孔位準(zhǔn)確對應(yīng)。

考慮模型的不規(guī)則性,采用SAP2000對結(jié)構(gòu)進(jìn)行最不利地震作用方向分析(0°～90°間以15°為增量),結(jié)果為0°方向地震作用最不利(原結(jié)構(gòu)YJK的分析最不利方向?yàn)?.6°),故安裝時(shí)將結(jié)構(gòu)的0°最不利方向?qū)?yīng)振動(dòng)臺(tái)X向,90°方向?qū)?yīng)振動(dòng)臺(tái)Y向,X、Y的方向如圖5所示。由于模型平面的不規(guī)則性,此項(xiàng)工作在用于結(jié)構(gòu)和振動(dòng)臺(tái)相連的鋼板打孔前便已完成。

圖5 加速度傳感器布置Fig.5 Arrangements of acceleration sensors

3 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

3.1 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭泄舶惭b18個(gè)加速度傳感器,均勻、分散布置在臺(tái)面上(“中”布置)、隔震層樓板上(“右上”布置)及1～5層樓板上(1～2層為“上下左右”布置,3～5層為“右上”位置布置),分別為2,2,4,4,2,2,2個(gè),如圖5所示。測得各層的加速度后,通過對加速度信號進(jìn)行校準(zhǔn)、二次積分求得各樓層測點(diǎn)的位移。

為了得到梁柱等構(gòu)件在地震作用下應(yīng)力的變化趨勢,在各層梁柱構(gòu)件受力較大位置均勻、分散地布置了63片電阻應(yīng)變片,應(yīng)變片的具體布置數(shù)量如表4所示,典型樓層(1層)布置如圖6所示,圖中用C標(biāo)識柱的應(yīng)變片位置,B標(biāo)識梁的應(yīng)變片位置,相應(yīng)的數(shù)字表示梁或柱應(yīng)變片的編號,如C7表示貼第1層柱第7號應(yīng)變片的位置。

表4 各樓層應(yīng)變片布置數(shù)量Table 4 The number of strain gauges on each floor

圖6 應(yīng)變測點(diǎn)布置Fig.6 Arrangements of strain gauges

圖7中給出了BRB 1層及結(jié)構(gòu)空間的布置位置,原型設(shè)計(jì)上主要將BRB均勻、分散地布置在結(jié)構(gòu)外側(cè),以增加上部結(jié)構(gòu)剛度,加強(qiáng)隔震效果。圖7a中的數(shù)字表示1層有1、4、5三個(gè)類型的BRB,其屈服機(jī)制如2.1節(jié)所述。

a— 一層BRB布置; b—BRB空間布置位置。圖7 BRB布置位置Fig.7 Arrangements of BRBs

3.2 加載方案

根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)[1-2]要求,試驗(yàn)選取2條天然波(Northridge、TR2)和1條人工波(REN)輸入,3條波以及反應(yīng)譜曲線如圖8所示。

Northridge(NOR); REN; TR2;反應(yīng)譜; 平均值。圖8 地震波反應(yīng)譜曲線Fig.8 Response spectrum curves of seismic waves

根據(jù)工程目的和試驗(yàn)要求,模型試驗(yàn)按照8度(0.20g)多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震分三個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn),在不同水準(zhǔn)地震作用試驗(yàn)前后均對模型進(jìn)行白噪聲掃頻,以測試結(jié)構(gòu)在不同地震作用前后的自振頻率和振型等動(dòng)力參數(shù)的變化,分析各試驗(yàn)工況后模型的損傷情況。根據(jù)原型邊坡放大系數(shù)1.6及模型加速度相似系數(shù)Sa=1.5,進(jìn)行加速度峰值調(diào)整,多遇、設(shè)防和罕遇地震時(shí)臺(tái)面的輸入加速度分別為0.168g、0.48g、0.96g,試驗(yàn)共完成包含4次白噪聲在內(nèi)的22個(gè)工況,每階段按照Northridge→TR2→REN先X向后Y向的順序進(jìn)行加載,如表5所示。

表5 試驗(yàn)工況Table 5 Test cases

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中,模型整體反應(yīng)正常,整體以X向和Y向平動(dòng)為主,無明顯扭轉(zhuǎn)。地震波輸入后,隔震層水平位移較明顯,隨著地震輸入的增大,隔震層位移也明顯增大。在各階段試驗(yàn)加速度激勵(lì)下,上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)均較小,未出現(xiàn)明顯損傷,整個(gè)試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)基本上處于彈性狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后,對所有隔震支座進(jìn)行仔細(xì)查驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)其有拉裂、破損跡象且隔震支座變形恢復(fù)良好,說明隔震支座性能良好,隔震層能夠發(fā)揮較好的減震效果。

4 模型動(dòng)力反應(yīng)分析

4.1 動(dòng)力特性

ζ=(f2-f1)/(f1+f2)

(3)

圖9中給出多遇地震前后X向模型頻譜特性對比曲線,W1、W2分別表示第1次白噪聲和第2次白噪聲。各階段試驗(yàn)前后模型的動(dòng)力特性如表6所示。

W2; W1。圖9 頻譜特性曲線Fig.9 Spectral characteristic curves

表6 模型動(dòng)力特性Table 6 Dynamic properties of the model

由表6可知:前兩階振型分別為X、Y向平動(dòng),第3階振型為扭轉(zhuǎn)。輸入多遇、設(shè)防和罕遇地震后,X向頻率未發(fā)生變化,僅Y向在設(shè)防地震作用后頻率減小9.1%,扭轉(zhuǎn)方向在罕遇地震后頻率減小6.1%。試驗(yàn)表明:結(jié)構(gòu)在多遇地震后處于彈性狀態(tài);在設(shè)防地震和罕遇地震后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微損傷,但對整體剛度幾乎沒有影響,結(jié)構(gòu)仍基本處于彈性狀態(tài)。

4.2 加速度反應(yīng)

考慮結(jié)構(gòu)隔震層及其以上各樓層加速度與臺(tái)面加速度峰值的比值(加速度放大系數(shù)Ka),圖10～12中給出了模型結(jié)構(gòu)在多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下X向和Y向隔震層及上部結(jié)構(gòu)與臺(tái)面輸入的加速度反應(yīng)對比,圖中0樓層表示振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面,1樓層為隔震層。

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖10 多遇地震作用下模型各樓層加速度放大系數(shù)KaFig.10 Ka of each floor under frequent earthquakes

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖11 設(shè)防地震作用下模型各樓層加速度放大系數(shù)KaFig.11 Ka of each floor under fortification earthquakes

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖12 罕遇地震作用下模型各樓層加速度放大系數(shù)KaFig.12 Ka of each floor under rare earthquakes

各水準(zhǔn)地震作用下加速度放大系數(shù)Ka的包絡(luò)值如表7所示,模型的加速度放大系數(shù)最大值的平均值均小于1.0,說明隔震支座發(fā)揮了較好的減震效果,上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)得到了有效控制。

表7 加速度放大系數(shù)包絡(luò)值Table 7 Envelope values of acceleration amplification factors

觀察圖10～12及表7,分別按X向和Y向進(jìn)行對比可知:隨著輸入地震波峰值的增大,模型上部結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)均大大降低,且最小值均在0.45以內(nèi),最大值均未明顯大于1,表明在不同水準(zhǔn)地震作用下,模型結(jié)構(gòu)的減震效果較為理想,且隨著地震作用的增大,減震效果更加明顯。

4.3 剪力反應(yīng)

根據(jù)表3中各樓層的質(zhì)量及其對應(yīng)的各樓層加速度值,按照式(4)可求得結(jié)構(gòu)各樓層剪力:

(4)

式中:Vj,max為第j層最大樓層剪力;mi為第i層質(zhì)量;ai,max為第i層最大相對加速度。

各樓層剪力V的分布見圖13～15。其中,1層為隔震層,該層的樓層剪力即為模型結(jié)構(gòu)的基底剪力。

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖13 多遇地震作用下樓層剪力曲線Fig.13 Floor shear curves under frequent earthquakes

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖14 設(shè)防地震作用下樓層剪力曲線Fig.14 Floor shear curves under fortification earthquakes

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖15 罕遇地震作用下樓層剪力曲線Fig.15 Floor shear curves under rare earthquakes

由圖13～15可知:各樓層剪力曲線在多遇、設(shè)防和罕遇地震下的趨勢合理;由于4～6層為局部突出的樓層,故在4層處的樓層剪力有一定程度的突變;人工波在不同階段的地震作用下的減震效果最好。

4.4 位移反應(yīng)

按照實(shí)驗(yàn)室規(guī)定,每次做振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)之前都須要先采用拉線式位移傳感器的測試結(jié)果與加速度傳感器測試結(jié)果的二次積分進(jìn)行對比校核,之后才可以進(jìn)行相應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。故對加速度傳感器測得的加速度值進(jìn)行二次積分,便可求得相應(yīng)的位移反應(yīng),各樓層相對于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的最大位移變化對比如圖16～18所示。

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖17 設(shè)防地震作用下樓層側(cè)移曲線Fig.17 Lateral displacement curves under fortification earthquakes

a—X向; b—Y向。NOR; TR2; REN。圖18 罕遇地震作用下樓層側(cè)移曲線Fig.18 Lateral displacement curves under rare earthquakes

由圖16～18可知:不同水準(zhǔn)地震作用下,模型上部結(jié)構(gòu)各層的相對位移較小,多遇地震時(shí)2～6層層間測點(diǎn)最大相對位移為0.493 mm(X向)和0.451 mm(Y向),設(shè)防地震下為1.407 mm(X向)和1.006 mm(Y向),罕遇地震下為3.563 mm(X向)和2.492 mm(Y向),而對應(yīng)的各水準(zhǔn)地震作用下隔震層的最大位移則分別為2.242,7.203,18.174 mm,為上部樓層位移的5倍以上。充分表明模型結(jié)構(gòu)的相對變形主要發(fā)生在隔震層,上部樓層位移較小,體現(xiàn)了該聯(lián)合消能減震方案較好的減震效果。

比較圖16～18可知:多遇地震作用下3條波的位移反應(yīng)相當(dāng);設(shè)防和罕遇地震作用下,X向Northridge波位移反應(yīng)稍大,Y向則是TR2波反應(yīng)明顯較大。通過計(jì)算各樓層測點(diǎn)位移差與對應(yīng)層高的比值得到結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角θmax:多遇地震作用下模型結(jié)構(gòu)的層間位移角分別為1/328(X向)和1/363(Y向),設(shè)防地震作用下分別為1/126(X向)和1/149(Y向),罕遇地震作用下分別為1/75(X向)和1/84(Y向)。根據(jù)GB 50011—2010[1]的規(guī)定及性能目標(biāo)設(shè)計(jì)的要求,多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的層間位移角限值分別為1/300、1/100和1/50,均小于相應(yīng)的層間位移角限值,達(dá)到設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了方案的可行性。

4.5 試驗(yàn)各階段BRB屈服情況

模型中的BRB數(shù)量及位置與原型相同,均為54個(gè),為了研究BRB的屈服情況,在結(jié)構(gòu)外圍總共選取了7根簡化后的BRB,測試其直線段的應(yīng)變,進(jìn)而按照2.1節(jié)的原理確定BRB的屈服情況。多遇、設(shè)防、罕遇地震水準(zhǔn)下各BRB的應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果及對應(yīng)的屈服力如表8所示,屈服力與原型的相似關(guān)系為1/900。

表8 BRB應(yīng)變測試結(jié)果Table 8 Strain test results on BRBs

從以上試驗(yàn)結(jié)果可知:BRB在多遇地震下不屈服,設(shè)防地震下部分屈服,罕遇地震下均屈服,但屈服程度并不是很大,能夠較好地體現(xiàn)開始的設(shè)計(jì)初衷和性能目標(biāo),兼顧了罕遇地震下結(jié)構(gòu)的抗震性能與經(jīng)濟(jì)性。

4.6 隔震層滯回耗能

隔震支座水平剛度較小,在各水準(zhǔn)水平地震作用下能夠進(jìn)入非線性狀態(tài)產(chǎn)生變形從而耗散能量。為了保證隔震支座的性能,在多遇地震下支座不能產(chǎn)生過多的耗能,而在設(shè)防和罕遇地震下則需要消耗大量的能量。圖19～20給出了典型隔震支座在多遇和罕遇地震作用下的滯回曲線情況,限于篇幅僅列出了TR2波在多遇地震和罕遇地震作用下的滯回曲線。可知:支座在多遇、罕遇地震作用下曲線均勻飽滿,表明支座具有較好的耗能能力;隨著輸入地震波峰值的增大,滯回曲線幅值也增大,即隨著地震輸入能量的增加,隔震支座耗散的能量也在迅速增加;以TR2波為例,X向和Y向在多遇地震作用下的耗能較小,分別為2.650,4.018 kN·mm,設(shè)防地震作用下耗能分別為44.039,57.313 kN·mm,罕遇地震作用下的耗能則分別達(dá)到320.844,425.819 kN·mm。

a—X向;b—Y向。圖19 多遇地震作用下典型隔震支座滯回曲線Fig.19 Hysteretic curves of typical isolation bearings under frequent earthquakes

a—X向;b—Y向。圖20 罕遇地震作用下典型隔震支座滯回曲線Fig.20 Hysteretic curves of typical isolation bearings under rare earthquakes

5 結(jié)束語

針對采用隔減震聯(lián)合方案的實(shí)際工程項(xiàng)目,通過地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究聯(lián)合減震結(jié)構(gòu)的抗震性能及其方案的可行性,主要得出以下結(jié)論:

1)該結(jié)構(gòu)模型的前三階振型分別為X向平動(dòng)、Y向平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)反應(yīng),對應(yīng)的頻率分別為2.564,2.686,4.028 Hz。在多遇、設(shè)防和罕遇地震后,X向頻率未發(fā)生變化,Y向在設(shè)防地震作用后減小了9.1%,扭轉(zhuǎn)方向在罕遇地震后減小了6.1%。

2)在不同水準(zhǔn)地震作用下,隔震模型的加速度放大系數(shù)最大值為0.45;隨著輸入地震波峰值的增大,模型上部結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)有所降低,且小于1.0,上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)得到了有效控制。

3)模型結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)主要集中在隔震層,上部結(jié)構(gòu)的位移較小;多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的最大層間位移角分別為1/328、1/126和1/75,滿足GB 50011—2010的要求。

4)隔震支座滯回曲線均勻飽滿,隨著地震作用的增大,其耗能能力也在增加,在多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的最大耗能分別為4.018,44.039,425.819 kN·mm。

5)BRB在多遇地震下不屈服,設(shè)防地震下部分屈服,罕遇地震下屈服程度有限,能夠?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)提供足夠的剛度以提高隔震效果,充分說明了聯(lián)合減震方案的可行性。