软夹层地基上多层隔震结构模型振动台试验研究

于　旭, 庄海洋, 朱　超, 陈　苏

(1.南京工程学院 建筑工程学院, 南京　211167; 2.南京工业大学 交通学院, 南京　210009)

软夹层地基上多层隔震结构模型振动台试验研究

于旭1,2, 庄海洋2, 朱超2, 陈苏2

(1.南京工程学院 建筑工程学院, 南京211167; 2.南京工业大学 交通学院, 南京210009)

隔震结构作为有效、经济和现实可行的结构抗震新技术已得到广泛应用。实际工程中隔震结构有可能建于软弱地基上，而强地震动作用下软弱地基上隔震结构基底地震动出现长周期化的同时，土与结构动力相互作用(Soil-Structure Interaction,SSI)对隔震结构的动力特性、地震响应等可能产生相当大的影响[1]。因此，基于软弱地基土-隔震结构相互作用的振动台试验，深入研究软弱地基上隔震结构体系的动力反应特征，探讨SSI效应对软弱地基上隔震结构体系的影响机理及其规律尤为重要，这对于完善软弱地基上隔震结构的抗震设计理论具有十分重要的意义。

目前，软弱地基上考虑SSI效应隔震结构抗震性能的研究主要以数值分析为主，并取得了一定的成果[2-5]，但数值分析方法都进行了假设和简化，研究成果缺乏实测数据及模型试验的验证。近年来，国内学者相继开展了不同场地条件、不同上部结构的隔震结构振动台模型试验的开拓性研究，宰金珉和于旭等进行了考虑SSI效应的铅芯橡胶支座隔震结构振动台模型试验[6]，试验结果表明：考虑SSI效应时隔震结构的隔震效果较刚性地基时降低。李昌平和刘伟庆等进行了软土地基上高层隔震结构模型振动台试验研究[7]，研究软土地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果，其隔震结构的高宽比为大高宽比(高宽比为4.1)，而现行《建筑抗震设计规范》要求隔震结构宜为小高宽比结构(高宽比小于4.0)，因此软弱地基上小高宽比隔震结构的抗震性能应进行专门研究。

在充分吸取现有振动台试验和理论研究成果对隔震结构地震灾变机理的认识的基础上，从场地条件、模型结构材料、输入地震动特性等方面考虑，同时考虑《建筑抗震设计规范》对隔震结构高宽比的要求，笔者设计了软夹层地基上多层隔震结构大型振动台模型试验方案，并与笔者已完成的刚性地基上隔震结构模型振动台试验的结果[8]进行了对比分析，总结了软夹层地基上隔震结构体系的动力特性、地震波传递的特性、基础及隔震层的转动效应、上部结构加速度反应及位移反应等。

1试验概况

1.1相似比设计

在土-结构动力相互作用的振动台模型试验中需研究多介质耦合作用体系的相似比确定方法，根据试验目的，考虑土-隔震结构体系主要参数的相似性，本文选取模型的几何长度、弹性模量和加速度为基本物理量，根据Bukingham定理,导出其他物理量的相似比，试验的相似比设计参见文献[9]。

1.2试验加载方法

试验采用单向激振，选用地震波为 El Centro波、Kobe波、南京人工波3条地震波。试验中输入地震动的时间步长根据时间相似比1∶4.47进行了调整，试验加载方案及台面输入峰值加速度峰值取值如表 1 所示。

表1　试验加载工况

1.3模型土与模型结构

以实际房屋为原型，同时兼顾施工方便，隔震结构模型的上部结构采用4层钢框架体系，激振方向模型高宽比为2.625，隔震支座采用直径为100 mm的铅芯橡胶支座，为模拟楼层荷载，隔震结构每层设配重箱，钢框架模型尺寸、楼层配重量及隔震支座基本参数同刚性地基上铅芯橡胶支座隔震钢框架模型，详见文献[8]。

模型土采用3层分层土，总厚度130 cm，顶部覆盖层为含水量为8.2%～9.0%的干砂土，厚度30 cm，密度为1 760 kg/m3，中部土层为含水量27.2%～30.0%的黏土，厚度40 cm，密度为1 933 kg/m3，底部土层为含水量26.2%～27.0%的饱和密实砂土，厚度60 cm，密度为1 920 kg/m3，分层土形成“软夹层地基”。模型土的制备主要控制含水率和密实度，采用水沉法制备模型土，人工分层填装。试验加载前采用SDMT波速检测仪测定土层平均剪切波速约为35～40 m/ s，模型土满足模拟软弱地基的试验要求。模型土箱采用南京工业大学岩土工程研究所研制的层状剪切变形土箱[10]，该土箱可有效减小模型土层有限边界的影响。模型基础采用2×3群桩基础，桩承台尺寸为1 200 mm×1 000 mm×100 mm，桩截面尺寸为35 mm×35 mm。模型体系如图1所示，模型体系的试验图片如图2所示。

图1　模型体系布置及测点布置图Fig.1 Sketch of model system arrangement and measuring point arrangement

图2　模型体系试验图片Fig.2 Photo of test model

1.4测点布置与测量方式

试验中测试模型结构的加速度及水平位移、隔震支座的压力及水平力，模型地基土的加速度、模型基础承台竖向加速度分量、水平向加速度分量、桩土界面的接触压力及桩身应变。传感器布置如图1所示，图中A1～A17为水平加速度计，V1～V4为竖向加速度计，S1～S5为位移计，采用标靶测试法[11]测试模型结构和模型箱的剪切变形，t1～t3为土压力计，E1～E8为应变片。

2试验结果与分析

2.1模型体系的动力特性

试验前后，采用幅值为0.05 g的白噪声扫描，得到模型结构体系的一阶自振频率和阻尼比，如表2所示，表中阻尼比采用改进的半功率点法计算[12]，刚性地基上隔震结构的试验结果亦按此方法进行修正。与刚性地基上隔震结构的一阶自振频率和阻尼比相比，软夹层地基上隔震结构的动力特性有较大改变。综合来看主要有以下规律：① SSI效应使隔震结构的一阶自振频率较刚性地基时降低，降幅为9.5%，而隔震结构的阻尼比较刚性地基时显著增加，增幅为78.3%。② 试验前后模型结构体系动力特性参数并不相同，刚性地基上隔震结构动力特性参数变化较小，其一阶自振频率基本不变，阻尼比有略微增大。然而，软夹层地基上隔震结构动力特性参数的变化较大，其一阶自振频率显著降低，模型体系的阻尼比也明显增大。

进一步将上述模型动力特性的试验结果与文献[7]相比，可以发现，由于软弱地基土刚度和隔震结构高宽比的差异，软弱地基上SSI效应对大高宽比隔震结构动力特性参数的影响幅度与本文软夹层地基SSI效应对小高宽比隔震结构动力特性参数的影响幅度并不相同，其中软弱地基上大高宽比隔震结构的阻尼比较刚性地基时增加了36%，且试验前后模型动力特性参数变化不明显。与文献[7]对比分析表明：软弱地基上SSI效应对隔震结构动力特性的影响与地基土刚度和隔震结构高宽比密切相关。

表2　模型结构的一阶自振频率和阻尼比

图3 土中不同测点处加速度峰值放大系数 Fig.3Amplificationfactorofaccelerationamplitudeatdifferentmeasuringpointonsoillayer图4 土中不同深度测点处加速度反应谱的比较Fig.4Comparisonofaccelerationresponsespectrumforvariousdepthsofmeasuringpoint

2.2模型地基地震反应特征

试验中在软夹层地基中布置了加速度传感器，量测地基不同土层内加速度反应，图3为土中不同测点深度处加速度峰值放大系数(图中字母及数字代表试验工况)。从图3可以看出，软夹层地基对地震动的峰值加速度起明显的削弱作用。对于底部饱和密实砂土层，在输入工况加速度峰值较小时，土层对土中加速度反应起动力放大效应，但随输入工况加速度峰值增大，土层的动力放大效应不断减弱。然而，地基中间软弱黏土层使土中加速度反应峰值降低，对峰值加速度起减振作用。对于顶部砂土层，对峰值加速度又起到放大效应，且随输入工况加速度峰值的增大，土体的加速度峰值放大系数减小。上述模型地基地震反应的试验结果与薄景山等人关于软夹层场地地震反应的研究结果基本吻合[13]。

图4(a)为工况JTEL1时土中不同深度测点处加速度反应谱动力系数β谱的比较，其中A6为振动台台面测点，A15、A14、A12为土层中在同一垂直线上自下而上不同高度的土中测点。从加速度反应谱可以看出，台面A6测点的地震动通过分层地基土层后，土层中各测点的反应谱(β谱)值随地基土性的变化而变化，从A6到A15测点，加速度反应谱在0.03 s～0.05 s周期部分反应谱值变大，在0.12 s～0.28 s周期部分反应谱值显著减小，从A15到A14测点，加速度反应谱在0.10 s～0.23 s周期部分反应谱值明显变大，在0.03 s～0.06 s周期部分反应谱值降低，从A14到A12测点，加速度反应谱在0.03 s～0.05 s周期部分反应谱值明显变大，在0.12 s～0.26 s周期部分反应谱值降低。图4(b)对应的试验工况JTEL3中也有类似现象。上述分析表明顶部和底部的砂土层使地震动的高频分量获得加强，而软弱黏土层则滤掉了部分高频分量，使部分低频分量获得加强。

2.3隔震结构加速度反应及隔震效果分析

“楼层加速度峰值放大系数”是指：楼层峰值加速度与隔震结构基底输入加速度峰值之比，是反应上部结构楼层加速度反应峰值放大或缩小程度的一个系数。由于地震时隔震结构的隔震层耗散了大量的地震能量，仅少部分能量传到上部结构，上部结构的地震反应基本处于弹性状态[1]，为对比刚性地基与软夹层地基上隔震结构的楼层加速度峰值放大系数，本文软夹层地基上隔震结构楼层加速度峰值放大系数根据试验实测的数据采用插值法计算得到，使其对应的模型基底加速度峰值(PGA)分别为0.1 g、0.2 g、0.3 g，使隔震结构在软夹层地基与刚性地基上具有等效的基底加速度峰值[14]，图5为软夹层地基与刚性地基上隔震结构楼层加速度放大系数的对比，图中层号0代表模型基底。

图5　软夹层地基与刚性地基上隔震结构楼层加速度峰值放大系数对比Fig.5 Comparison of Amplification factor of floor acceleration amplitude for isolated structure on softer interlayer ground and rigid foundation

由图5可以看出，由于SSI效应的影响软夹层地基上隔震结构楼层峰值加速度放大系数与刚性地基时差异较大，具体表现为：Elcentro波激振时楼层加速度峰值放大系数较刚性地基时明显增大，kobe波激振时楼层加速度峰值放大系数在大震(PGA=0.3 g)时较刚性地基时增大，而小震(PGA=0.1 g)时其值小于刚性地基时的楼层加速度峰值放大系数；南京人工波激振时楼层加速度峰值放大系数较刚性地基时略有增加。上述分析表明：软夹层地基上SSI效应可增大也可减小隔震结构的地震反应。

进一步分析图5可以看出，刚性地基上隔震结构楼层加速度峰值放大系数随PGA的增大而减小，即输入地震动峰值越大，隔震效果越好； 而软夹层地基上隔震结构的隔震效果与刚性地基时差异较大，主要表现为：南京人工波激振时楼层加速度峰值放大系数随PGA的增大而减小，隔震结构的隔震效果与刚性地基时相似；而Elcentro波和kobe波激振时，楼层加速度峰值放大系数随PGA的增大而增大，即输入地震动峰值越大，隔震效果越差，表明软夹层地基上隔震结构的隔震效果降低。上述分析表明：软夹层地基上输入地震动的类型和峰值对隔震结构的隔震效果有较大影响。上述影响规律与参考文献[7]中软土地基上高层隔震结构隔震效果的影响规律并不相同。

2.4位移反应

图6给出了软夹层地基和刚性地基上隔震结构的最大层间位移，其中楼层位置0代表隔震层。由图6可以看出，刚性地基与软夹层地基上隔震结构最大层间位移的分布特性相似，均呈现出底部隔震层层间位移较大，而上部其他层层间位移较小的特点。但由于SSI效应的影响，两种地基上隔震结构最大层间位移反应并不相同，与输入地震动的特性有关。Elcentro波和kobe波大震(PGA=0.3 g)作用时软夹层地基上隔震结构最大层间位移反应较刚性地基时明显增大，其中隔震层位移增幅最为显著，而南京人工波大震作用时两种地基上隔震结构最大层间位移反应相近。Elcentro波和南京人工波小震(PGA=0.1 g)时软夹层地基上隔震结构最大层间位移反应较刚性地基时小幅增大，而 kobe波小震时软夹层地基上隔震结构最大层间位移反应较刚性地基时减小。

图6　软夹层地基与刚性地基上隔震结构最大层间位移对比Fig.6 Comparison of maximal interlayer displacements of isolated structure on softer interlayer ground and rigid foundation

2.5基础及隔震层的转动效应

(1)

(2)

表3　软夹层地基上基础及隔震层转动角加速度峰值

由表3可以看出，软夹层地基上隔震结构基础转动角加速度峰值为0.347～1.129 rad/s-2，由文献[6]可知，砂土地基上隔震结构基础转动角加速度峰值为0.062～0.355 rad/s-2，刚性地基上基础转动角加速度峰值很小可忽略不计。表明地基土性越软，隔震结构基础转动效应越明显。

由表3可以看出，隔震层对基础转动角加速度反应有一定的放大效应。Elcentro波和kobe波输入时隔震层与基础转动角加速度峰值的比值随PGA的增大而增大，即输入地震动峰值越大，隔震层转动效应越明显，其中以Elcentro波输入时最为明显。而南京人工波输入时隔震层与基础转动角加速度峰值的比值随PGA的增大而减小，即输入地震动峰值增大，隔震层转动效应减弱，在地震动输入加速度峰值0.3g时甚至出现“减振”现象。上述现象表明不同地震动激振下，隔震层的放大效应并不相同，与输入地震动的特性相关。

通过分析图7和图8可知，工况JTEL2和工况JTNJ2输入的地震动峰值相同，但相应的基础转动角加速度频谱特性并不相同，工况JTEL2时基础转动角加速度反应的主频范围在9~11.7 Hz，频谱范围涉及中低频段；而工况JTNJ2时基础转动角加速度反应的主频范围两个频段，即：11.2~13.9 Hz和27.9~29.8 Hz，频谱范围涉及中高频段。基础转动角加速度反应经隔震层传播后，隔震层转动角加速度反应的傅氏谱值有明显变化，工况JTEL2时隔震层的傅氏谱在低频段6.9~7.5 Hz 、1.5~1.8 Hz 范围内谱值明显增大，其最大增幅达到60.2%，对应的隔震层与基础转动角加速度峰值的比值为1.52，而工况JTNJ2时隔震层的傅氏谱在频段7.0~7.5 Hz 、1.6~1.8 Hz和24.7~26.4 Hz范围内谱值增大，其最大增幅为32.5%，对应的隔震层与基础转动角加速度峰值的比值为1.2。上述分析表明：①隔震层的放大效应与基础转动角加速度反应的频谱特性相关，隔震层对以中低频分量为主的基础转动角加速度反应放大效应明显，而对以中高频分量为主的基础转动角加速度反应放大效应降低。②相对于基础转动角加速度反应的频谱组成，隔震层转动角加速度反应频谱组成的高频分量减弱，中低频分量明显加强，频谱组成向低频转变。

与2.3节分析结果相吻合的是：Elcentro波和kobe波激振时隔震层对基础转动角加速度的放大效应随PGA的增大而增大；而南京人工波激振时隔震层对基础转动角加速度的放大效应随PGA的增大而减小。综合以上分析表明：隔震层转动效应显著时，隔震结构楼层加速度峰值放大系数增大，隔震效果降低，而隔震层转动效应减弱时，楼层加速度峰值放大系数与刚性地基时相似，隔震效果较好。

图7　基础与隔震层转动角加速度傅氏谱比较(工况JTEL2)Fig.7 Comparison of Fourier spectrum of rotational acceleration of foundation and isolated layer(test condition JTEL2)

图8　基础与隔震层转动角加速度傅氏谱比较(工况JTNJ2)Fig.8 Comparison of Fourier spectrum of rotational acceleration of foundation and isolated layer(test condition JTNJ2)

3结论

通过软夹层地基上隔震结构大型振动台模型试验，分析软夹层地基上隔震结构体系的动力特性，研究软夹层地基地震反应特性、基础及隔震层的转动效应、上部隔震结构加速度反应及位移反应等，得到的主要结论有：

(1) 软夹层地基上SSI效应使隔震结构的一阶自振频率较刚性地基时降低，而阻尼比较刚性地基时显著增加，其影响幅度与地基土刚度和隔震结构高宽比密切相关。

(2) 软夹层地基对地震动输入起明显的削弱作用。

(3) 软夹层地基上隔震结构基础转动效应明显。隔震层对基础转动角加速度反应具有滤波和一定的放大效应，隔震层的放大效应与输入地震动的类型及基础转动角加速度反应的频谱特性相关。

(4) 软夹层地基上SSI效应可增大也可减小隔震结构的地震反应。当隔震层转动效应显著时，隔震结构楼层加速度峰值放大系数增大，隔震效果降低，而隔震层转动效应减弱时，楼层加速度峰值放大系数与刚性地基时相似，隔震效果较好。

参 考 文 献

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第一作者 于旭 男，博士，副教授，1977年3月生

摘要：基于软夹层地基和刚性地基上多层隔震结构体系地震反应的振动台模型试验，研究软夹层地基上隔震结构体系的动力特性、地基地震反应特性、上部结构加速度反应特征，分析基础与隔震层的转动效应及其对隔震效果的影响。试验结果表明：软夹层地基对地震动输入起明显的削弱作用；软夹层地基上SSI效应对隔震结构动力特性影响较大， SSI效应降低了隔震结构体系的一阶自振频率，显著增大了体系的阻尼比；软夹层地基上SSI效应使隔震结构基础及隔震层产生转动反应，隔震层对基础转动角加速度反应有一定的放大作用，与输入地震动的特性有关； 软夹层地基上SSI效应可增大也可能减小隔震结构上部结构的地震反应，隔震效果与隔震层转动效应的强弱密切相关，隔震层转动效应显著时，隔震结构楼层加速度峰值放大系数增大，隔震效果降低，而隔震层转动效应减弱时，楼层加速度峰值放大系数与刚性地基时相似，隔震效果较好。

关键词：隔震结构；振动台模型试验；土-结构相互作用；动力特性；地震反应

Shaking table tests on the modal of a multi-story isolated structure on the ground with softer interlayer

YUXu1,2,ZHUANGHai-yang2,ZHUChao2,CHENSu2(1. Department of Civil Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China;2. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009,China)

Abstract:Based on shaking table tests on the model of a multi-story isolated structure on the ground with softer interlayer, the dynamic characteristics of the structure and the seismic behaviors of the ground were studied. The superstructure acceleration responses and turning effects of foundation and isolation layer were analyzed. The turning effects on the isolation effectiveness were investigated. The test results show that the ground motion is obviously weakened due to softer interlayer, soil-structure interaction (SSI) is of signifigant effect on dynamic characteristics of the isolated structure on softer interlayer ground. Its first order natural frequency is reduced and the damping ratio is increased. The turning effects of foundation and isolation layer can be induced on the softer interlayer ground by SSI. The isolation layer can amplify the rotational acceleration response of foundation, depending on the type of the input earthquake motion. SSI can increase or decrease the seismic response of isolated structure on softer interlayer ground. The isolation effectiveness is closely related to the intensity of turning effects of isolation layer. When the turning effects of isolation layer is enhanced, the amplification factors of floor acceleration amplitudes of the isolated structure are increased, and the isolation effectiveness is reduced. When the turning effects of isolation layer are weakened, the amplification factors of floor acceleration amplitudes of the isolated structure are similar to those in the case of a rigid ground, and the isolation effectiveness is rather good.

Key words:isolated structure; shaking table model test; soil- structure interaction; dynamic characteristics; seismic response

中图分类号:TU311

文献标志码：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.018

通信作者庄海洋 男，博士，教授，1978年2月生

收稿日期：2014-08-14修改稿收到日期：2014-12-18

基金项目：江苏省自然科学基金青年基金资助项目(BK2012477);住房与城乡建设部基金资助项目(2013-K3-1)