结构名义刚重比对隔震效果影响的试验研究

尚守平, 束　洋

(湖南大学土木工程学院， 湖南长沙410082)



结构名义刚重比对隔震效果影响的试验研究

尚守平, 束洋

(湖南大学土木工程学院， 湖南长沙410082)

为判断结构是否能采用隔震结构，在试验的基础上，结合理论与设计经验，提出了一种新的科学指标，即结构名义刚重比λ，并为了简化计算，给出了一种合理的上部结构名义抗侧刚度代替实际抗侧刚度。试验对象为一个采用钢筋沥青隔震墩为隔震层的框架结构，通过改变结构的名义刚重比，对多种工况下的框架模型进行振动台激振试验，得到结构在不同名义刚重比下的减震效果，同时计算机模拟了不同于试验类型的结构在不同名义刚重比下的减震效果。将试验和计算机模拟的结果进行汇总比较，发现名义刚重比对不同类型的结构的减震效果都有明显的影响，即随着名义刚重比λ的增加，减震系数明显减小,表明名义刚重比在判断结构是否采用隔震结构上的科学性。在名义刚重比大于0.5时，宜采用隔震结构。

名义刚重比；隔震墩；振动台试验；隔震结构；减震效果

地震是一种能造成巨大危害的自然灾害，针对中国广大的农村地区，湖南大学科研小组于2009年研发了钢筋沥青复合隔震层[1-2]，并获得国家发明专利，在此基础上继续研发出钢筋沥青复合隔震墩[3]。通过大量试验研究以及实际工程证明其具有造价低廉、施工方便、减震效果优异等优点。

《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[4]规定建筑结构采用隔震结构时结构高宽比宜小于4,此判断条件最大的优点是简便，非常易于判断。但实际发现有些建筑物在不符合此条件下，仍具有良好的隔震性能，也发现有些建筑物在符合此条件下，隔震效果却不太好，国内学者因此对高宽比的隔震影响做了相关研究[5-8]。基础隔震是利用隔震层很小的水平刚度，加大结构的基本自振周期而减小上部结构运动的加速度，从而大大减小上部结构所受的地震作用[9-12]。另外，结构的质量对结构的基本自振周期也有明显的影响。在此基础上，提出了名义刚重比λ的概念，即上部结构名义抗侧刚度与隔震层水平刚度的比值和上部结构重力与隔震层竖向承载力比值的乘积。

本文中给出的名义抗侧刚度并不是为了准确地反映实际抗侧刚度，而是为了简化实际抗侧刚度的计算，便于设计而提出的一种符合刚度变化规律的名义抗侧刚度。

1　隔震层水平刚度及上部结构名义抗侧刚度计算

1.1隔震层水平刚度计算

(a)　　(b)图1　隔震墩图Fig.1　A model of isolation pier

本试验采用的钢筋沥青隔震墩如图1所示。

根据文献[13]，单个隔震墩水平刚度K和竖向承载力P的计算式如下:

(1)

(2)

式中：n为一个隔震墩中的竖向钢筋根数，E为钢筋的弹性模量，I为钢筋截面惯性矩，h为隔震墩钢筋的净高度。

本试验隔震层由8个在结构底部放置的隔震墩组成，所以隔震层的刚度和竖向承载力为：

1.2上部结构名义抗侧刚度计算

根据上部结构实际抗侧刚度随结构的变化规律,定义上部结构名义抗侧刚度K上：

(3)

式中：m表示纵向的跨数，s表示横向的跨数，n表示楼层层数，i表示第i层层号，spi表示第i层横向所有榀框架的总跨数和，Aj表示每跨对抗侧刚度的提供值。Aj的取值见表1。

表1　Aj的取值Tab.1　Value of Aj

试验取了7种工况，通过在框架顶端施加水平牵引力可以测得上部结构实际抗侧刚度K实，具体过程在此不赘述，与采用公式(3)算出名义抗侧刚度值K上汇总见表2。

表2　不同工况下上部结构名义抗侧刚度和实际抗侧刚度Tab.2　Stiffness and nominal stiffness under different conditions

从表2可以看出，上部结构名义抗侧刚度K上的变化与实际抗侧刚度K实的变化基本一一对应，即名义抗侧刚度可以反映上部结构抗侧实际刚度的变化规律。因此，在名义刚重比的定义中，用名义抗侧刚度代替实际抗侧刚度。

2　框架模型振动台试验设计

2.1试验装置

隔震层共采用8个隔震墩，在振动台四角平均放置。隔震层上部结构模型分别为2层和3层框架，X、Y、Z方向对应的总体尺寸：2层L×B×H=1.5 m×1.5 m×2 m，3层L×B×H=1.5 m×1.5 m×3 m。柱尺寸：型钢H125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mm，梁尺寸：型钢H100 mm×50 mm×5 mm×7 mm,楼板采用10 mm厚钢板，斜撑采用槽钢，每层顶部布置约2 t混凝土质量块，1层底部布置约1 t混凝土质量块。框架安放在上部钢平台上，柱脚通过螺栓连接。隔震层下部钢平台与液压式低频激振器连接。该试验模型的连接都采用高强螺栓连接。试验模型尺寸见图2、图3，图中单位尺寸为mm。

(a) 2层框架单位：mm

(b) 3层框架

图2试验模型立面图

Fig.2Elevation view of test mode

2.2试验方案

本试验通过液压式低频激振器对结构输入地震动模拟水平地震作用，激振方向为X方向。下部钢平台和结构顶部相同位置布置1个加速度传感器。传感器为中国地震局工程力学研究所研制的941B型低频拾振器，数据智能采集与信号分析采用inv306专业系统。

试验通过输入加速度幅值分别为70 cm/s2、125 cm/s2、220 cm/s2的El波和Taft波测框架的动力反应。试验装配示意图如图4，隔震墩安放见图5。

图4试验装配示意图

Fig.4Test setup poster

图5隔震墩安放图

Fig.5Isolated pier placement diagram

3　试验结果及数据分析

3.1定义隔震系数和名义刚重比

定义隔震系数β：

(4)

式中：α1为台面的加速度最大值，α2为隔震后结构顶层加速度反应最大值。

定义名义刚重比λ：

(5)

式中：P隔为隔震层的竖向承载力，G上为上部结构的重力，K上为上部结构名义抗侧刚度，K隔为隔震层水平刚度。

3.2不同工况下的隔震系数对比

通过振动台输入El波、Taft波得到顶层加速度反应幅值平均值，计算出各工况下的顶层隔震系数。另外计算机模拟了不同于试验的结构类型，增加了C、D、E三大类工况，具体工况见表3。用VB语言编写时程分析程序[14]分析，与试验结果相对比，结果汇总于表4。C、D、E工况是以选取的RC框架结构为基础，标准层层高为3.6 m，板厚为100 mm，方形柱宽400 mm,横向框架为3跨，总共为9榀，边跨跨度为7.2 m,中间跨跨度为3 m，纵向每跨跨度均为3.6 m。除去中间7榀横向框架中间跨未布置填充墙，其他位置隔均布置填充墙。震墩钢筋选用高度为280 mm的φ10钢筋。单个隔震墩的具体参数，水平刚度K和竖向承载力P如下：

,。表3　C、D、E工况表Tab.3　Details of test C、D、E

表4　不同工况对比Tab.4　Comparison of different conditions

3.3结果分析

从表4中可以看出：

①A，B，D，E四大类工况中，当结构的高宽比都相同时，减震系数有明显的差别。尤其对于A1和A2工况，A1工况下的隔震系数为0.82,而A2为0.26。

②A、B工况和C、D、E工况下减震系数和名义刚重比的数据拟合见图6和图7。

图6A、B工况下数据拟合图

Fig.6Fitting of data of test A and B

图7C、D、E工况数据拟合图

Fig.7Fitting data of test C、D and E

图6为试验的实际工况，图7为计算机的模拟工况。两者的整体趋势都是随着名义刚重比的增加，减震系数明显的减小。且试验所取的为钢框架结构，计算机模拟的为RC框架结构，说明本文所定义名义刚重比对不同结构的实用性，也说明名义刚重比公式的合理性。

③图6和图7中虽然均存在个别不符合整体趋势的点，但都发生在减震系数比较小的工况下，对判断是否采用隔震结构没有影响。对于工程实际，认为当减震系数小于0.65时隔震效果良好。此时存在一个最小名义刚重比限值λmin为0.5。

4　工程实例

某幢公寓的建筑平面尺寸为长24 m，宽4.8 m；层数为6层；建筑总高度为21.6 m；隔震支座采用钢筋—沥青复合隔震墩(隔震墩钢筋选用净高度为270 mm的φ8钢筋)；场地类别为Ⅱ类；设防烈度为七度。结构建筑平面布置见图8。

单位：mm

上部结构为RC框架结构，墙厚均为240 mm,总重力为3 594.2 kN,高宽比为4.5。隔震层布置200个隔震墩，单个隔震墩水平刚度K和竖向承载力P为：

隔震层的水平刚度为14.6 kN/mm，竖向承载力为8 140.0 kN。

上部结构名义抗侧刚度为：

名义刚重比为：

经计算，该公寓的高宽比为4.5不满足《建筑抗震设计规范》(GB50010-2010)12.1.3第1款规定。但名义刚重比为0.64大于最小限定值(0.5)。采用3.2节中分析采用时程分析程序和地震波，计算出减震系数平均值为0.586，说明隔震效果良好，也符合3.3节所得到的结论。

5　结　论

本文根据试验和数值模拟，分析了名义刚重比和高宽比对结构隔震性能的影响，得到以下结论：

①本文综合国内外近年对隔震的研究和发展，提出名义刚重比的概念来判断结构是否适用隔震结构，名义刚重比易于计算，非常适合工程设计。

②根据试验和计算机数值模拟结果均显示，名义刚重比作为衡量建筑是否采用隔震结构的依据更为科学，以高宽比作为判断隔震技术是否适用于建筑结构，有待进一步研究。

③拟合隔震系数与名义刚重比的数据，可以得到随着名义刚重比增加，减震系数明显减小的趋势。在名义刚重比大于0.5时，结构具有良好的隔震效果，宜采用隔震结构。

[1]尚守平,姚菲,刘可.一种新型隔震层的构造及振动台试验研究[J]. 土木工程学报,2011,44(2):36-41.

[2]尚守平,黄群堂,沈戎,朱博文.钢筋—沥青隔震墩砌体结构足尺模型试验研究[J]. 建筑结构学报,2012,33(3):133-134.

[3]尚守平，崔相龙.基础隔震研究与应用的新进展及问题[J]. 广西大学学报(自然科学版),2016,41(2):24-25.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[5]何文福,刘文光,霍达.小高宽比隔震结构双向输入振动台试验研究及数值分析[J]. 地震工程与工程振动,2006, 26(5):218-225.

[6]李宏男,王苏岩,贾俊辉.采用基础摩擦隔震房屋高宽比限值的研究[J]. 地震工程与工程振动, 1997, 17(3): 73-76.

[7]祁皑,范宏伟.基础隔震结构高宽比限值研究[J]. 建筑结构学报,2004,25(6):53-55.

[8]祁皑,范宏伟.基于结构设计的基础隔震结构高宽比限值的研究[J]. 土木工程学报,2007,40(4):14-17.

[9]唐家祥，刘再华.建筑结构基础隔震[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1993.

[10]DAVID M L.Base isolation for torsion reduction in asymmetric structures under earthquake loading[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1980,112(8):349-359.

[11]ROBINSON W H, TUCKER A G. A Lead-rubber shear damper[J]. Bulletin of the New Zealand National Society for Earthquake Engineering,1977,10(3):151-153.

[12]BUCKLE I G, MAYES R L.Seismic isolation: history, application and performance-a word view[J]. Earthquake Spectra, 1990,6(2):161-201.

[13]尚守平，郜志远，徐梅芳.新型隔震墩在农村民居中的应用[J]. 施工技术，2011,40(6):58-61.

[14]裴星洙，张立，任正权.高层建筑结构地震响应的时程分析法[M]. 北京：水利水电出版社,2006.

(责任编辑唐汉民梁健)

Experimental study on effect of structural nominal stiffness to weight ratio on seismic isolation

SHANG Shou-ping，SHU Yang

(College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082,China)

To determine whether seismic isolation structure can be used in a structure, a new factor, named as nominal stiffness/weight ratioλ, is put forward, which is based on the experiment, theory and design experience. And in order to simplify the calculation, a reasonable nominal lateral stiffness is presented to replace the actual lateral stiffness. The test object is a frame structure with reinforced asphalt base isolation layer. After the shaking table test is carried out on the frame structure under various operation conditions by changing the nominal stiffness/weight ratio of the structure, the damping effect of different stiffness/weight ratio of the frame structure is obtained, and the damping effect of different types of structures under different nominal stiffness/weight ratios is simulated by computer. Comparison between the results from experiment and computer simulation shows that the nominal weight/stiffness ratio has obvious effect on different types of structures. The damping coefficient decreases with the increase of the nominal stiffness/weight ratio. So the nominal weight/stiffness ratio is reasonable in determining whether the seismic isolation structure can be used in a structure. When the nominal stiffness/weight ratio is larger than 0.5, the seismic isolation structure is suitable for a structure.

nominal stiffness/weight ratio; isolation pier; shaking table test; isolation structure; damping effect

2016-03-22；

2016-06-13

国家十二五科技支撑项目(2011BAJ08800)；湖南省科技计划重点项目(06sk4057)

尚守平(1953—)，男，山东黄县人，湖南大学教授，博士生导师，博士；E-mail: sps@hnu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0923

TU352

A

1001-7445(2016)04-0923-07

引文格式：尚守平, 束洋.结构名义刚重比对隔震效果影响的试验研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：923-929.