下部减震层间隔震结构振动台试验研究

2012-02-13金建敏周福霖陈建秋马玉宏

振动与冲击 2012年6期

金建敏，谭平，周福霖，张颖，陈建秋，马玉宏

(广州大学工程抗震研究中心，广州 510405)

地震是由于板块构造运动引起的，它是地壳岩石中长期积累的变形在瞬间转化为动能的结果。地震的破坏力极强，人类有史以来就不断遭受地震灾害的侵袭，强烈地震不仅造成建筑物的大量破坏，而且还造成人员的重大伤亡。隔震建筑在地震中明显的隔震减震效果令人惊叹，使隔震结构在各国得到广泛应用［1］。目前，隔震技术的主要应用为基础隔震，即隔震层设在基础顶面或地下室底部。层间隔震体系是在基础隔震体系的基础上发展而来的复杂结构体系，隔震层设在地下室顶部或地面以上的楼层，其振动特性同时受到隔震层以上的上部结构及下部结构的影响。层间隔震结构的研究主要在日本与我国，既往研究多限于隔震层参数对地震响应及减震效果的影响，而下部减震层间隔震结构的相关研究未见进行［2-6］。

本文为研究层间隔震结构的下部结构附加减震装置后，对层间隔震体系地震响应及减震效果的影响，进行了基础固接、1层顶层间隔震及下部减震层间隔震模型的振动台试验研究，并建立了层间隔震结构的有限元模型，将有限元分析结果与试验结果进行了对比。

1 模型设计与隔震减震装置参数

设计一个4层的钢框架模型，该钢框架由1个1层模型(有柱脚拉梁)、1个1层模型(无柱脚拉梁)、1个2层模型(无柱脚拉梁)构成。组装后的钢框架为四层模型，平面尺寸为 1.0 m ×1.6 m，层高为 1.0 m，梁、柱截面尺寸HW100 mm×100 mm×6 mm×8 mm，楼板采用12 mm厚的钢楼板，该模型X向(短边方向)高宽比为4。通过这三个模型的组装进行基础固接、1层顶隔震以及下部减震层间隔震(1层顶隔震后，在1层用人字撑水平向附加黏滞阻尼器)的振动台试验研究。采用4个直径为90 mm的铅芯橡胶支座(LRB90)构成隔震层，铅芯直径为15 mm;橡胶的剪切弹性模量为0.392 MPa，内部橡胶层厚度为 1.2 mm，15 层;实测的竖向刚度Kv，屈服后刚度Kd，屈服力Qd的平均值分别为192.7 kN/mm，0.153 kN/mm，1.196 kN(4 个 LRB90平均)。下部减震采用2个黏滞阻尼器，黏滞阻尼系数C=5900(N/(m·s-1)α)，指数 α 为 0.3，实测的阻尼力与设计阻尼平均绝对误差为6.2%(测试速度17～75 mm/s)。表1为模型与原型的相似关系，图1至图3为振动台试验时的模型。模型结构自重为2 465 kg，根据振动台的承载能力，取模型各层配重为2 420 kg，模型配重共5层，其中4层采用混凝土块，1层为隔震层配重，由于隔震层高度限制，隔震层配重采用铅块，下部减震模型所用支撑为人字撑，截面尺寸为HW125 mm ×125 mm ×6.5 mm ×9 mm，高度为 790 mm，沿模型短边方向布置。

表1 相似关系Tab.1 Similarity relation

图1 基础固接Fig.1 Fixed-base

图2 1层顶隔震Fig.2 Isolated on the top of the first story

图3 下部减震Fig.3 Shock absorption of substructure

2 振动台试验

2.1 试验工况及量测系统布置

输入地震波为El Centro NS波、Taft EW波及两条与抗震规范加速度反应谱相吻合的人工波(场地特征周期为0.4 s)，输入加速度峰值为0.2 g(8度设防烈度地震)及0.408 g(8度罕遇烈度地震)，输入方向为X向。共使用12个丹麦产传感器测定加速度和位移，加速度和位移各为6个，布置在各层的中心点。在隔震模型试验时，在隔震层布置了2个激光传感器(分别沿X向布置在模型的对角点)，用于测定X向隔震层层间位移，采用4个日本产三维力传感器，测定隔震支座在地震作用下的三向力变化情况。

2.2 动力特性

表2 为白噪声输入时(0.05 g，0.1 ～40 Hz)，基础固接、1层顶层间隔震及下部减震层间隔震模型的前三阶周期，隔震前原型结构的周期为1.143 s，实测基础固接模型阻尼比为1.96%。1层顶隔震模型及下部减震的前三阶振动主要为上部结构平动(此处所指上部结构不包含隔震层)、上部结构1阶振动、下部结构1阶振动;下部减震实测的周期比1层顶层间隔震模型周期偏短，但变化不大，表明所采用的人字撑及黏滞阻尼串联后形成的附加体系，对下部结构刚度贡献不大，阻尼器连接件之间的间隙是影响因素之一。

表2 模型周期Tab.2 Model period

2.3 加速度反应

8度中、大震输入时，基础固接模型、1层顶隔震模型及下部减震层间隔震模型加速度反应的最大值见图4(为方便对比，隔震模型未标注隔震层加速度)。El Centro波中、大震时，与1层顶层间隔震模型相比，下部减震层间隔震模型的加速度出现一定程度的放大，图5为1层顶层间隔震模型与下部减震层间模型在El Centro波中、大震输入时台面波的自功率谱比较，从图5可以看出，振动台输入的El Centro波在11.625 Hz处，有一主频，这与白噪声扫频得到的下部结构振动频率几乎一致，而下部减震层间隔震模型在El Centro波输入时，输入失真，造成结构响应放大，与1层顶层间隔震模型数据不具可比性。为进一步说明此问题，分别用El Centro天然波、1层顶层间隔震模型及下部减震层间隔震模型的El Centro波输入时的台面波，对这两个模型进行了加速度反应的有限元对比计算，最大加速度反应见表3。由表3可见，1层顶层间隔震模型的台面波与El Centro天然波的计算结果上、下部结构响应整体一致性接近，误差较小;台面波及El Centro天然波输入，下部减震模型的加速度响应均小于1层顶层间隔震模型;下部减震模型的台面波与其它两条波的加速度反应相比，均出现放大现象。表4为隔震结构上部结构顶层、下部结构顶层的加速度减震效果，表中括号内为不包括El Centro波的其余3条波平均结果。可见，1层顶层间隔震后，上、下部结构顶层的加速度分别降为基础固接的40%、90%左右，下部减震后上、下部结构顶层的加速度均进一步降低。

图4 加速度反应最大值Fig.4 Maximum acceleration response

图5 自功率谱比较Fig.5 Comparison of PSV

表3 最大加速度反应(g)Tab.3 Maximum acceleration response(g)

表4 加速度减震效果(%)Tab.4 Seismic reduction effect(%)

2.4 层间位移反应

8度中震输入时，基础固接模型最大层间位移角为1/168，1层顶隔震模型最大层间位移角为1/406，下部减震后最大层间位移角为1/466。8度大震输入时，基础固接模型最大层间位移角为1/97，1层顶隔震模型最大层间位移角为1/190，下部减震后最大层间位移角为1/237。表5为平均后1层顶层间隔震及下部减震的最大层间位移角(不包括隔震层)，表6为隔震层最大层间位移，表中括号内为不包括El Centro波的三条波平均。可见，下部减震后在1层顶隔震的基础上进一步降低了层间位移反应。

表5 最大层间位移角(rad)Tab.5 Maximum inter-story displacement angle(rad)

表6 隔震层最大层间位移(mm)Tab.6 Maximum story displacement of isolation layer(mm)

表7 层剪力系数的比值Tab.7 Story shear force coefficient

表8 隔震层剪力系数Tab.8 Shear force coefficient of isolation layer

2.5 层剪力系数

8度中、大震输入时，隔震模型与基础固接模型的层剪力系数的比值见表7，1层顶隔震及下部减震层间隔震模型的隔震层剪力系数见表8，基底剪力系数见表9。可见，下部减震后进一步降低了层剪力系数。

3 有限元分析与试验结果对比

采用SAP2000对1层顶隔震及下部减震层间隔震模型进行有限元分析，采用8度大震Taft波和人工波1输入时台面响应的值作为输入波，表10为有限元分析和试验的楼层最大加速度反应对比，表11为有限元分析和试验的隔震层最大层间位移对比。由表10可见加速度峰值有较好的近似，实测加速度偏大，误差基本在25%以内。由表11可见隔震层最大层间位移误差较小。图6为8度大震人工波1输入时，有限元分析及试验实测的上、下部结构的顶层加速度时程及隔震层层间位移时程对比。