近断层地震动运动特征对组合隔震体系减震性能的影响

荣强，吴东

近断层地震动运动特征对组合隔震体系减震性能的影响

荣强，吴东

(烟台大学土木工程学院，山东烟台264005)

输入近断层地震记录，考察了破裂向前方向性和滑冲效应脉冲对组合隔震体系减震性能的影响.研究表明，滑冲效应脉冲比破裂向前方向性脉冲对组合隔震结构更具有破坏性，在破裂向前方向性脉冲地震作用下，LRB隔震体系的隔震效果比组合隔震体系的效果稍好.在滑冲效应脉冲地震作用下，采用组合隔震体系可有效减小隔震层的位移幅值，但隔震结构的顶层加速度峰值和基底剪力略有增大.

近断层地震动;组合隔震;破裂方向性效应;滑冲效应;反应谱

近20年来全球发生的几次大地震，如1994年美国北岭地震、1995年日本阪神地震、1999年台湾集集地震等，这些地震与远场地震动不同，呈现出对建筑结构更具有破坏性的近断层地震动特征［1-4］.基础隔震技术对远场地震动是一种行之有效的减震措施并已推广使用，我国抗震规范中有关隔震结构设计的规定是以远场地震动研究结论为依据的，有关近断层地震动对隔震结构设计的影响只是在输入地震波时通过近场影响系数来简单考虑.如何在隔震结构设计时合理地考虑近断层地震动的影响，国内外已有学者做了有益的探索［5-12］.研究表明，近断层地震动对隔震结构产生较严重的破坏作用，主要是隔震层位移幅值较大，易超过规范容许设计位移.

本文对近断层地震动破裂向前方向性效应和滑冲效应产生的速度脉冲对组合隔震体系的地震响应进行分析，探讨近断层地震动运动特征对组合隔震体系减震性能的影响.

1 近断层地震动运动特征及反应谱

1.1 近断层地震动运动特征

通常根据场地离开断层距离的远近，地震动可分为近断层地震动和远场地震动.近断层地震动一般是指距离断层不超过20 km区域场地的地震动.近断层地震动的运动特征主要表现为明显的速度脉冲、上盘效应以及显著的竖向地震动等特点.其中，最为突出的运动特征是具有速度脉冲特性，而引起速度脉冲的因素主要为破裂向前方向性效应和滑冲效应［13］.破裂向前方向性效应通常产生双向速度脉冲，而滑冲效应一般引起单向速度脉冲.对于走滑断层，破裂向前方向性效主要发生在垂直于断层面的方向，滑冲效应发生在平行于断层滑动的方向;对于倾滑断层，破裂向前方向性效应和滑冲效应均垂直于断层走向，两者发生耦合，如图1.

1999年9月发生的台湾集集地震属逆冲型断裂，本次地震获得了大量的近断层地震动记录.本文选择集集地震的6条近断层地震动记录作为输入地震动，其中TCU051-EW、TCU082-EW、TCU054-EW为含破裂向前方向性速度脉冲，TCU052-EW、TCU052-NS、TCU067-EW为含滑冲效应速度脉冲，加速度时程曲线如图2.将地震加速度峰值调整为400 cm/s2，相当于罕遇地震作用下地震基本烈度为8度时所对应的加速度峰值.

图1 断层中的方向性效应和滑冲效应Fig.1 Directivity effect and fling-step effect of faulting

1.2 近断层地震动反应谱

地震动反应谱可以较好的反映出地震动的频谱特性对建筑结构地震响应的影响［14］.为进一步了解近断层地震动运动特征，选取集集地震的3条近断层地震动记录TCU051-EW、TCU052-EW和TCU072 -EW分别代表含破裂向前方向性效应、滑冲效应和无速度脉冲近断层地震动.图3(a)和(b)分别为近断层地震动含破裂向前方向性效应、滑冲效应和无速度脉冲地震动在阻尼比为5%时的标准加速度反应谱和位移反应谱.由图3(a)可知，当周期小于0.8 s时，向前方向性效应脉冲和无速度脉冲地震动的加速度谱值大于含滑冲效应脉冲的地震动加速度谱值;当周期大于1 s时，向前方向性效应脉冲和无速度脉冲地震动的加速度谱值小于含滑冲效应脉冲的地震动加速度谱值;当周期大于2 s时，无速度脉冲的加速度响应值显著降低，向前方向性效应脉冲和滑冲效应脉冲的地震动加速度谱值明显大于无速度脉冲地震动的加速度谱值.由此可见，对于短周期结构，向前方向性效应脉冲比滑冲效应脉冲对结构的破坏性要大;对于周期大于1 s的中长周期结构，向前方向性效应脉冲和滑冲效应脉冲的破坏性比无速度脉冲大，且滑冲效应脉冲对长周期结构的影响最为显著.隔震结构的周期一般较长，故在近断层脉冲型地震动作用下，隔震结构的加速度响应可能降低较小，从而使隔震效果不理想.由图3(b)可知，含滑冲效应的近断层地震动位移谱值明显大于破裂向前方向性脉冲和无速度脉冲地震动的位移谱值，这表明由于长周期脉冲的存在，含滑冲效应的近断层地震动对周期大于1 s的结构会引起较大的位移谱值.这也意味着隔震结构在含滑冲效应的近断层地震动作用下很可能产生更大的隔震位移.

图2 近断层地震动的加速度时程曲线Fig.2 Acceleration time history curves of near-fault ground motions

2 近断层地震动运动特征对组合隔震体系的影响

2.1 工程概况

某5层钢筋混凝土框架结构，属丙类建筑，抗震设防烈度为8度，框架柱截面尺寸为500 mm×500 mm，框架梁截面尺寸为350 mm×600 mm，楼板厚100 mm，混凝土标号C40，每层层高均为3 m，结构柱网布置如图4.

为对比研究组合隔震体系在近断层地震动作用下的减震性能，拟采用以下3种隔震方案:(1)方案一(LRB隔震):每个柱下均设置GZY500的铅芯橡胶隔震支座;(2)方案二(组合隔震1):4个角柱下分别设置摩擦摆隔震支座，其他柱下均设置铅芯橡胶隔震支座;(3)方案三(组合隔震2):轴线①和轴线⑦上的8个柱下分别设置摩擦摆隔震支座，其他柱下均设置铅芯橡胶隔震支座.GZY500铅芯橡胶隔震支座剪切变形为250%时的等效水平刚度为1.152×103kN/m，屈服后刚度0.88×103kN/m，屈服力66.73 kN，竖向刚度2.03×106kN/m，等效粘滞阻尼比为0.14.摩擦摆隔震支座的刚度为5.66×103kN/m，摩擦系数为0.06，滑动面半径为0.2 m.

采用SAP2000建立隔震结构的分析模型，梁、柱采用空间梁柱单元，楼板采用壳单元，采用Ritz向量进行模态分析，铅芯橡胶支座的力学性能通常采用双线性模型来模拟，用Rubber Isolator模拟需输入水平刚度、屈服力和屈服后刚度比.在SAP2000中用Friction Isolator模拟摩擦摆隔震支座需输入刚度、摩擦系数、比率参数和滑动面半径等参数.

图4 结构柱网图Fig.4 Layout diagram of structural column

2.2 模态分析

对基础固定、LRB隔震和组合隔震3种结构体系进行模态分析，3种结构体系的前三阶自振周期如表1.由表1可知，基础固定结构的前三阶周期都小于0.5 s，整个结构刚度较大，属于短周期结构.与基础固定结构相比，采用LRB隔震和组合隔震体系都可以进一步延长结构的自振周期，且组合隔震体系的自振周期比LRB隔震体系的大，这是因为隔震层中部分LRB隔震支座换为FPS隔震支座，使隔震层的刚度减小了，LRB隔震结构和组合隔震1结构的第1阶自振周期与基础固定结构的比分别为3.51和3.74，基础隔震结构符合周期比2的一般限制［15］.

表13 种结构体系的前三阶自振周期Tab.1 First three vibration period of three structural systems

2.3 破裂向前方向性效应的影响

输入近断层地震动记录，LRB隔震和组合隔震体系在近断层地震作用下的地震响应平均值如表2.图5为3种隔震方案在地震波(TCU051-EW)作用下的层间位移角、楼层加速度和层间剪力.由表2可知，在破裂向前方向性速度脉冲地震动作用下3种隔震方案的隔震层最大位移都没有超过隔震支座GZY500的规范容许位移275 mm，与LRB隔震体系相比，组合隔震1和组合隔震2的隔震层位移幅值分别减小4.3%和12%，顶层加速度峰值分别增加了10%和22%，基底最大剪力分别增加了7.8%和16.3%.由图5可知，组合隔震1和组合隔震2的层间位移角比LRB隔震体系的大，隔震结构的最大层间位移角均出现在第1层或第2层.组合隔震方案的层间剪力和楼层加速度都比LRB隔震体系的大，且组合隔震方案2的楼层加速度增幅比较明显.由此，可以看出在破裂向前方向性速度脉冲地震动作用下3种隔震结构都已处于轻度破坏状态，采用组合隔震体系后，隔震层位移幅值虽有减小，但幅度不大，考虑到对顶层加速度峰值和基底剪力的控制，LRB隔震体系的隔震效果要比组合隔震体系的隔震效果稍好.

2.4 滑冲效应的影响

输入TCU052-EW速度脉冲，图6为3种隔震方案的层间位移角、楼层加速度和层间剪力.由表2可知，与破裂向前方向性速度脉冲地震动作用相比，滑冲效应速度脉冲对LRB隔震和组合隔震建筑地震响应的影响更大.LRB隔震结构隔震层最大位移的平均值为289.2 mm，已经超过了规范规定的容许位移275 mm，隔震结构有可能发生失稳，采用组合隔震方案2后隔震层的最大位移的均值为222.7 mm，减小了23%.与LRB隔震体系相比，组合隔震1和组合隔震2的顶层峰值加速度分别增加了3%和0.86%，基底最大剪力分别增加了5.2%和7.1%.由图6可知，与破裂向前方向性速度脉冲地震作用一样，滑冲效应速度脉冲地震作用下组合隔震1和组合隔震2的层间位移角也比LRB隔震体系的大，隔震结构的最大层间位移角均出现在第1层或第2层，组合隔震方案的层间剪力和楼层加速度也都比LRB隔震体系的大，但幅度不大.由此，可以看出在滑冲效应速度脉冲作用下，单独采用LRB隔震体系的隔震效果较差，采用组合隔震体系后，经过隔震方案和隔震参数的合理选择，可有效减小隔震层的最大位移，但顶层加速度峰值和基底最大剪力略有增加，组合隔震结构综合了LRB隔震和FPS隔震的优势，使隔震效果达到一个更好的水平.

图5 含破裂向前方向性脉冲地震动作用下隔震结构的地震响应值(TCU051－EW)Fig.5 Earthquake response of base-isolated structure under near-fault ground motions with rupture directivity effect (TCU051-EW)

表2 近断层地震动作用下隔震结构地震响应的平均值Tab.2 The earthquake response average of isolation structure subjected to near-fault ground motions

图6 含滑冲效应脉冲地震动作用下隔震结构的地震响应值(TCU052－EW)Fig.6 Earthquake response of base-isolated structure under near-faultgroundmotionswithfling-stepeffects (TCU052-EW)

3 结论

(1)近断层地震动反应谱分析表明，对于短周期结构，向前方向性效应脉冲比滑冲效应脉冲对结构的破坏性大;对于中长周期结构，滑冲效应脉冲比向前方向性效应脉冲对结构的破坏性大;含滑冲效应的近断层地震动对周期大于1s的结构会引起较大的位移谱值.

(2)在破裂向前方向性效应速度脉冲地震作用下，与LRB隔震结构相比，采用组合隔震体系后，隔震层位移幅值虽有减小，但幅度不大，隔震结构的顶层加速度峰值和基底剪力增幅明显.考虑到对顶层加速度峰值和基底剪力的控制，LRB隔震体系的隔震效果比组合隔震体系的效果稍好.

(3)在滑冲效应速度脉冲地震作用下，与LRB隔震结构相比，组合隔震结构综合了LRB隔震和FPS隔震的优势，通过对隔震方案和隔震参数的合理选择，可以有效减小隔震层的位移，避免上部结构发生倾覆破坏，但隔震结构的顶层加速度峰值和基底剪力略有增大.

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Influence of Motion Characteristics of Near-fault Ground Motions on Combined Isolation System Damping Performance

RONG Qiang，WU Dong
(School of Civil Engineering，Yantai University，Yantai 264005 China)

Inputting near-fault seismic records，the effect of rupture forward directivity and fling-step pulse on damping performance of combined isolation system is investigated.Research indicates that the fling-step pulse is more destructive than the rupture forward directivity pulse for combined isolation system.The isolation effect of LRB isolation system is slightly better than the combined isolation system under the rupture forward directivity pulse earthquake.The combined isolation system can reduce effectively the displacement amplitude of isolation layer under the fling-step effect earthquake，but the peak acceleration on the top and the base shear of the isolated structure increase slightly.

near-fault ground motion;combined isolation;rupture forward directivity;fling-step effect;response spectra

TU352.1

A

(责任编辑 苏晓东)

1004-8820(2015)03-0213-06

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.03.011

2014-11-09

山东省自然科学基金资助项目(ZR2013EEL020，ZR2013EEQ018，ZR2012EEM014);山东省高等学校科技计划项目(J12LG03).

荣强((1975-)，男，副教授，博士，主要从事结构抗震减震研究.