近断层地震动下基础隔震弹簧限位对结构响应影响试验研究

2017-11-06崔明珠杜红凯

振动与冲击 2017年19期

关键词：限位器限位断层

韩淼，崔明珠，杜红凯,2

(1.北京建筑大学北京节能减排关键技术协同创新中心，北京 100044；2.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100022)

近断层地震动下基础隔震弹簧限位对结构响应影响试验研究

韩淼1，崔明珠1，杜红凯1,2

(1.北京建筑大学北京节能减排关键技术协同创新中心，北京 100044；2.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100022)

近断层地震动作用下，基础隔震结构隔震层可能会产生大位移，限位装置能起到限制隔震层位移的作用，但与隔震层上部结构发生软碰撞,会对上部结构响应造成影响。对9种弹簧限位基础隔震振动台模型试验数据进行分析，结果表明：9种工况均取得良好限位效果；但碰撞会激发结构的高阶振型，在碰撞时刻隔震层会产生速度的突然增大；限位碰撞可导致上部结构的层间位移和加速度响应增大，但合理设计限位器的刚度和预留距离可减小上部结构响应。

近断层地震动；限位；碰撞；基础隔震；振动台试验

隔震技术目前已得到广泛的应用，其减震效果也经受了大量地震的考验。但隔震结构在近断层地震动作用下的响应可能会被放大[1]，导致隔震支座位移超过其变形极限，从而使隔震层发生损坏或使上部结构与相邻结构发生碰撞。Matsagar等[2-3]对相邻隔震结构碰撞的地震响应进行了研究，研究表明碰撞对隔震结构的加速度响应有明显的放大。符蓉等[4]对隔震结构与周围挡墙或基坑发生的碰撞响应进行了研究，研究发现碰撞时刻上部结构的加速度响应和结构底部层间位移明显增大。Pant等[5]研究了一个4层基础隔震混凝土结构与围护墙碰撞的问题，发现不但底层结构容易受到损伤，上部结构更容易受损。Masroor等[6]设计了内部填土的混凝土挡墙和钢结构挡墙，并进行了振动台试验和数值模拟，证明隔震结构碰撞会对上部结构带来较大的冲击。韩淼等[7]提出了在隔震层增设软碰撞限位保护装置来限制隔震层变形的方法，并进行了相关试验[8]，验证了软碰撞限位装置的有效性。樊剑等[9]对近断层地震动作用下摩擦型隔震结构与限位装置的碰撞响应进行了研究，结果表明限位装置在达到限位效果的同时，也增加了上部结构的层间剪力和加速度。Dicleli[10]设计了由中心插钢棒的圆环形橡胶和钢板制作而成间隙弹性限位装置，研究发现该装置能有效地减小隔震层的位移。

以上研究主要针对远震和硬碰撞，对于近断层地震动下对隔震层进行软碰撞限位的研究还比较少。本文对近断层地震动作用下振动台基础隔震弹簧限位试验进行分析，研究钢螺旋弹簧的限位效果，以及隔震层与弹簧限位装置发生碰撞对结构响应的影响。

1 试验概述

按1∶7相似比设计三层单跨钢框架试验模型，如图1(a)所示，模型参数见表1，模型设计详见文献[11]，采用直径100 mm的叠层钢板橡胶支座，位移限值为55 mm。采用白噪声(0.1g)对试验模型进行扫描，得模型结构第一自振周期为0.437 s。

表1 试验模型设计参数Tab.1 Design parameters of test model

从美国太平洋地震工程研究中心选取6条典型的近断层地震波进行隔震非限位试验，从中选取位移响应最大的1120波作为振动台限位试验的输入地震波，地震波参数见表2，加速度、速度和位移时程见图2，从图2可看出1120波具有明显的速度和位移脉冲。试验中将地震波的时间根据相似比进行压缩，将地震波加速度峰值调幅至0.2g时，隔震层最大位移达44.9 mm，为避免隔震支座失效，未限位情况下地震波加速度峰值不再提高，但限位情况下地震波加速度调幅至0.3g。试验设计三种不同刚度的弹簧限位器，每种限位器由四个弹簧并联组成，如图1(b)所示。试验时每侧放置两个限位器，限位器预留距离为10 mm、20 mm、30 mm，试验工况见表3。

(a) 试验模型

(b) 限位器图1 试验模型及限位器图Fig.1 Test model and displacement-constraint devices

2 限位效果分析

为将限位与非限位情况下各响应进行对比，对位移、加速度响应进行标准化(即将限位与非限位情况下结构的位移、加速度响应分别除以输入地震波的位移、加速度峰值)，下文第3节所用试验数据同为标准化后试验数据。图3为工况31与工况10隔震层位移时程曲线，可看出限位情况下隔震层位移峰值远小于非限位情况下对应时刻的位移峰值，其余工况类似，由于篇幅所限，不再一一绘出。定义隔震层位移比例系数为隔震层位移最大值在隔震限位与非限位情况下的比值(其他比例系数的定义与此处类似，后文不再一一给出)，各工况下隔震层位移比例系数如表4所示。

(a) 加速度时程

(b) 速度时程

表2 地震波参数Tab.2 Parameters of strong ground motion

表3 限位试验工况Tab.3 Cases of displacement-constraint test

图3 工况31与工况10隔震层位移时程曲线Fig.3 Time-history curves of the isolation layer deformation about case 31 and case 10

表4 隔震层位移比例系数Tab.4 The scale factor of isolation layer deformation

由表4可知，限位情况下隔震层位移比例系数均远小于1，说明弹簧限位器在9种工况下均有很好的限位效果。预留距离为30 mm、20 mm、10 mm工况的平均位移比例系数为0.64、0.51、0.29，说明随着预留距离减小，限位器效果提高；第一、二、三类限位器工况平均位移比例系数为0.52、0.49、0.43，说明随着限位器刚度增大，限位效果提高。

3 限位对结构响应分析

3.1限位对隔震层速度的影响

由隔震层的位移时程曲线获得隔震层的速度时程曲线，可绘出限位和非限位情况下，隔震层速度-位移曲线。图4给出了工况11与工况10的隔震层速度-位移曲线，其余限位工况类似，不再一一绘出。

(a) 工况11

(b) 工况10图4 隔震层速度-位移曲线Fig.4 The velocity-deformation curves of isolation layer

由图4可知，在限位情况下，预留距离为10 mm时，速度-位移曲线存在较大波峰，而非限位的速度-位移曲线比较平滑，说明限位碰撞时，隔震层速度会突然增大。

3.2限位对上部结构层间位移的影响

为研究限位碰撞对上部结构层间位移的影响规律，以工况31与工况10为例，绘制层间位移时程曲线，如图5所示。

从图5可以看出，限位工况相对于非限位工况，一层位移响应波形相差不大，非限位工况更加平滑；二层和三层位移响应相差较大，且随着楼层越高差别越大，主要表现为位移峰值点增多、位移幅值增大。说明限位碰撞会改变上部结构的位移响应，对于较低楼层主要表现为相位的提前和滞后，对于较高楼层主要表现为提高了位移响应的频率和幅值。

(a) 三层

(b) 二层

表5 层间位移比例系数Tab.5 The scale factor of story drift

表5给出了各工况的位移比例系数，工况11、21、31的一、二层层间位移比例系数小于1，工况12、13、23、33的位移比例系数均大于1，其他工况反应不一致；对各层位移比例系数取平均，得一、二、三层的平均位移比例系数为1.04、1.27、2.51。说明随着楼层位置升高碰撞对层间位移的影响增大；但合理设计限位器刚度和预留距离，也可减小上部结构的位移响应。

3.3限位对上部结构加速度的影响

碰撞诱发的脉冲对上部结构的加速度响应会有影响，图6给出了工况31与工况10的上部结构加速度响应对比图。

(a) 三层

(b) 二层

表6 上部结构加速度比例系数Tab.6 The scale factor of superstructure acceleration

从图6可看出，限位工况相对非限位工况，一层加速度响应的波形相差不大，仅相位出现提前或滞后，二层和三层的波形相差较大，波形完全不一致，说明限位碰撞会改变各楼层的加速度响应，该改变对较高楼层愈发明显。

表6给出了各工况加速度比例系数，可以看出工况13、23、33各层的比例系数均大于1，工况11各层的比例系数均小于1，其他五种工况不同楼层反应不一致；对各楼层的加速度比例系数取均值，可看出各层比例系数均大于1。说明限位碰撞可能导致上部结构加速度响应增大，但如果合理设计限位器刚度和预留距离，也可降低上部结构的加速度响应。

对上部结构的加速度响应做傅里叶变换，图7绘出了顶层加速度傅里叶幅值谱。从图7可知，非限位隔震工况的傅里叶幅值谱在2 Hz左右有一个很大的峰值，说明结构响应以第一振型分量为主；而限位工况的傅里叶幅值谱在高频部分有很多的小峰值，说明碰撞激发了结构的高阶振型。

图7 顶层加速度傅里叶幅值谱Fig.7 Fourier amplitude spectrum of acceleration of top floor

4 结论

对弹簧限位和非限位基础隔震振动台模型试验进行分析，得到以下结论：

(1) 采用弹簧对隔震层进行限位，可以取得较好的限位效果，限位器刚度越大限位效果越好，预留距离越小限位效果越好。

(2) 限位碰撞时刻，隔震层速度会突然增大。

(3) 限位碰撞会改变上部结构的位移响应，对于较低楼层主要表现为相位的提前和滞后，对于较高楼层主要表现为增加了位移响应的频率和幅值。随着楼层位置升高层间位移增大，但合理设计限位器刚度和预留距离，可减小上部结构的位移响应。

(4) 限位碰撞可能导致上部结构加速度响应增大，但合理设计限位器刚度和预留距离，可减小上部结构加速度响应。

(5) 碰撞会激发结构的高阶振型。

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Experimentalresearchontheeffectofspringdisplacement-constraintdevicesonthestructuralresponsesofbase-isolatedstructuresundernear-faultgroundmotions

HAN Miao1, CUI Mingzhu1, DU Hongkai1,2

(1.Beijing Collaborative Innovation Center of Energy Conservation and Emission Reduction Technology,Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2.Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology，Beijing 100022，China)

The large deformation of a base isolation layer could be induced by near-fault ground motions．Although the displacement-constraint devices can constrain the large displacements of the base isolation layer, impacts between the displacement-constraint devices and the superstructures of the base isolation layer may change the dynamic responses of the superstructures. 9 sets of test data about base-isolated structures impacting on spring displacement-constraint devices were analyzed. The results indicate that the displacement-constraint devices can constrain the displacement of the base isolation layer well, but higher modes will be exicited and great velocity increments may be produced due to the impact. The story drifts and accelerations of superstructures will increase in the case of impact. The responses of superstructures may be reduced when the stiffness of the displacement-constraint devices and the gaps between the devices and structures are designed reasonably.

near-fault ground motion; displacement constraint; impact; base-isolation; shaking table test

TU352.1

10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.027

国家自然科学基金资助项目(51378047；51408027)

2016-05-25 修改稿收到日期：2016-08-03

韩淼男,博士,教授,1969年生

杜红凯男,博士,高级实验师,1981年生