近断层水平地震激励下巨子三维隔震结构振动台模型试验

颜学渊 毛会敏 祁皑 徐小勇

摘要： 将三维隔震层从地面标高上移至巨子结构（巨型框架子框架结构体系）的各子结构底部，可以解决高层三维隔震结构摇摆反应明显的问题，且整体隔震结构不再受高宽比限值的制约。设计加工了一个3层巨型框架结构模型，底层大空间，上部含有2个次框架。在2个次框架底部与主框架楼板相连部位安装4个三维隔震支座；进行了近断层及远场罕遇水平地震激励下，巨子抗震结构和巨子三维隔震结构的地震模拟振动台对比试验和数值分析。结果表明：巨子三维隔震结构将隔震层上移至次框架底部并未延长结构的基本周期。次框架和主框架的动力响应减震效果显著，近、远场及场地类型对隔震率没有明显影响。由于近断层地震动的脉冲效应及其长周期成分与结构周期更接近，近断层激励下次框架和主框架的动力响应比相同场地的远场地震动大10%～20%，Ⅲ类场地近断层地震激励下的结构响应比Ⅱ类场地大10%～25%。关键词： 三维隔震； 振动台试验； 近断层； 巨子结构； 减震率

中图分类号： TU352.1文献标志码： A文章编号： 10044523（2017）04064608

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.016

引言

地震動具有多维特性，多次地震实测数据表明其竖向加速度分量接近甚至超过水平分量，震害现象亦表明地震动竖向分量对震中区建筑、高耸结构等建筑物和构筑物的破坏起明显作用。对这些建筑物和构筑物进行三维隔震研究已成为当前的研究热点[13]。实际结构中，受倾覆制约，隔震结构的高宽比不能太大；颜学渊[45]等通过实验研究表明，高层结构基底设置三维隔震抗倾覆装置能够起到三维隔震和抗倾覆的作用，但是结构会有明显摇摆反应。若采用巨型框架子结构这种二级结构体系，巨型框架作为主要受力体系，而将三维隔震层从地面标高上移至各子结构的底部，可以解决这个问题，结构的高宽比将不再受隔震支座抗拉能力的限制，也不需设置抗倾覆装置。在巨子结构体系的子结构底部设置三维隔震支座后，对于整个结构体系而言相当于设置多个多维调谐质量阻尼器；对于子结构本身则可以多维隔震。因此，外部巨型框架和内部子结构的动力响应都能得到控制，而巨型框架本身的刚度大，结构的安全有保障。

近年来，已有一些学者对巨型框架结构的抗震性能及节点进行研究[67]，但振动控制方法应用于巨子结构的相关研究不多，且主要是理论与数值分析[810]，实验研究很少。巨型框架结构的自振周期较长，且子结构采用了三维隔震技术，近断层地震动的脉冲效应[1115]对巨型框架及子结构的响应有影响。本文通过振动台试验研究巨子三维隔震结构的近断层地震响应。

1模型参数及试验准备

试验在福州大学的地震模拟振动台系统上进行。根据振动台的台面尺寸及载荷等确定结构模型的各物理量相似系数如表1所示。结构模型是一个3层巨型框架，含有3个次框架，从下往上依次为第1，2，3次框架。由于底部大空间的需求，因此在本试验模型中没有设置第1次框架。结构模型长、宽、高为1.6 m，1.0 m，3.27 m。结构模型各构件的尺寸如下：巨型柱为140×10角钢，巨型主梁为12.6槽钢，巨型次梁为8槽钢，次框架柱为60×60×2.5方钢，次框架梁为40×40×1.5方钢。结构模型自重1.851 t，质量不足部分通过配重满足：次框架每层配重0.55 t，主框架每层配重0.28 t；总重量为5.991 t。结构模型的实际照片及主、次框架的平、立面图如图1所示。在巨子结构的两个次框架的底部各安装4个三维隔震支座，即为巨子三维隔震结构。次框架与主框架间设置15 mm宽的隔震缝（原型结构的隔震缝宽为400 mm，按照长度相似比换算，模型结构的隔震缝宽应为13.33 mm，为便于加工组装，此处取为15 mm）。

根据表1所示刚度和力的相似系数及原型结构隔震层参数计算得到三维隔震支座的力学参数，再进行支座几何参数设计及加工；而原型结构隔震层

表1结构模型的相似系数

Tab.1Similarity coefficients of the model

物理参数符号计算公式相似系数长度SL—1/30弹性模量SE—1加速度Sa—1质量SmSm=SESL2/Sa1/900速度SvSv=（SLSa）1/2（1/30）1/2位移SuSu=SL1/30应力SσSσ=SE1应变SεSε=11力SFSF=SESL21/900时间StSt=（SL/Sa）1/2（1/30）1/2刚度SKSK=SESL1/30图1巨子结构模型（单位：mm）

Fig.1The megasub structure model （Unit： mm）

第4期颜学渊，等：近断层水平地震激励下巨子三维隔震结构振动台模型试验振 动 工 程 学 报第30卷参数经数值分析、设计及验算得到。三维隔震支座的剖面图和实物图如图2所示，其具体尺寸及力学性能试验得到的力学参数如表2所示。

图2三维隔震支座剖面图及实物图

Fig.2Pictures of 3D isolation bearing

如图3所示，在结构的主框架、次框架及台面布置了加速度和位移传感器；隔震时，在次框架底部另布置一个位移计测量隔震层变形。此外，在4个主框架柱底部各安装一个三向力传感器，以测量主框架柱的受力。

为研究不同场地类型的近断层地震动和远场地震激励下结构的动力响应，选取来自集集地震不同测站的3条记录作为振动台试验时的输入。由于振

表2三维隔震支座参数

Tab.2Parameters of 3D isolation bearing

参数数值参数数值剪切模量/MPa0.392橡胶总高/mm19.7（16.5）橡胶外径/mm105钢板总高/mm2.0×1中孔直径/mm10水平刚度/（N·mm-1）128（149）总高度/mm42竖向刚度/（kN·mm-1）6.22（9.71）注：括号内数值为第3次框架隔震支座的参数

图3传感器布置图

Fig.3Layout drawing of sensors

动台不能输入竖向地震动，因此试验时，地震动的输入方向为水平X向，加速度幅值为7度（0.15g）罕遇310 gal。地震记录的详细参数如表3所示。

表3试验用地震记录

Tab.3Ground motions for the test

测站场地类型断层距/km分量间隔/sPGA/galPGV/（cm·s-1）PGV/PGAChiChi2NTCU056Ⅱ类近断层10.48WE0.005153.2342.860.28ChiChi2FTAP042Ⅱ类远场106.48WE0.00594.9112.340.13ChiChi3NTCU110Ⅲ类近断层11.58WE0.005187.9648.720.26注：记录名称后缀“2，3”表示“Ⅱ，Ⅲ类场地”；“N，F”表示“近断层、远场”

先通过白噪声扫频试验获得两种结构模型的基本周期为0.463 s和0.467 s，表明与基础隔震相比较，由于设置隔震层的形式不同，减震机理不同，将隔震层上移至次框架底部并未延长整个结构的基本周期。

2次框架动力响应〖2〗2.1次框架加速度响应次框架作为巨子结构体系的组成部分，是体系中主要的工作和生活空间，次框架的安全性和舒适性是结构振动控制的主要目的。地震动加速度从地面向上传递，经主框架放大后传递给次框架，次框架设置三维隔震层后，由于隔震层的滤波和消能作用，次框架的地震响应较未隔震时减小。从形式上和机理上，对于次框架本身而言，它是一个基底隔震结构。

7度（0.15g）罕遇地震激励下巨子抗震结构和巨子三维隔震结构（以下分别简称为抗震结构和三维隔震结构）2个次框架每层的加速度响应及隔震率表4所示。限于篇幅，仅画出抗震结构和三维隔震结构第2次框架顶层的加速度响应时程，如图4所示。

表4次框架加速度响应及隔震率（单位：m/s2）

Tab.4Acceleration responses and isolation effects of substructures （Unit： m/s2）

地震动

楼层ChiChi2NChiChi2FChiChi3N3层2层1层3层2层1层3层2层1层第3次框架抗震4.283.012.713.862.772.435.234.433.68三维隔震2.231.991.712.011.821.542.622.382.01隔震率47.9%33.89%36.9%47.93%34.3%36.63%49.9%46.28%45.38%第2次框架抗震5.243.902.784.763.222.536.264.543.13三维隔震2.562.061.862.231.961.622.842.542.09隔震率51.15%47.18%33.09%53.15%39.13%35.97%54.63%44.05%33.23%图4第2次框架顶层加速度响应时程

Fig.4Acceleration time histories of top of the 2nd substructure

后文的减震率或隔震率定义为减/隔震率=Ra-R3DRa×100%式中Ra为抗震结构地震响应；R3D为三维隔震结构地震响应。

从表4和图4数据可以看出，在近断层地震动和远场地震动激励下，隔震层对2个次框架的加速度响应都具有明显的隔震效果，隔震率不小于33.09%，最大值达54.63%。由于近断层地震动的脉冲效应，在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动激励下，次框架各层的加速度响应都比在Ⅱ类场地远场ChiChi2F地震动激励下大10%左右，但隔震率较为相近。由于Ⅲ类场地近断层ChiChi3N地震动的长周期成分与结构基本周期更接近，使得在Ⅲ类场地近断层ChiChi3N地震动激励下的次框架各层加速度响应明显比在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动激励下来的大，约10%～50%，尤其是抗震结构的第3次框架，增大更明显；隔震率略有增大，特别是第3次框架的1，2层。第2次框架的各层加速度响应都大于第3次框架，但2个次框架的隔震率除个别楼层外，都较为接近。

2.2次框架顶层位移响应

地震激励下2个次框架的顶层位移响应峰值及隔震率列于表5。图5为第2次框架的顶层位移响应时程。

表5次框架顶层位移响应及隔震率（单位：mm）

Tab.5Displacement responses and isolation effects of top of substructures （Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N第3次框架抗震3.813.384.38三维隔震1.671.381.93隔震率56.17%59.17%55.94%第2次框架抗震4.583.944.96三维隔震1.861.561.94隔震率59.39%60.41%60.89%图5第2次框架顶层位移响应时程

Fig.5Displacement time histories of top of the 2nd substructure

從表5和图5数据可知，在3条地震动激励下，隔震层对2个次框架的顶层位移响应都具有显著的隔震效果，隔震率不小于55.94%，最大值达60.89%。在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动激励下，次框架的顶层位移响应比在Ⅱ类场地远场ChiChi2F地震动激励下大15%左右，说明近断层地震动的脉冲效应加剧了次框架的位移响应；在Ⅲ类场地近断层ChiChi3N地震动激励下的次框架顶层位移响应明显比在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动激励下来的大，且第3次框架增大更明显，由于Ⅲ类场地近断层ChiChi3N地震动的长周期成分与结构基本周期更接近，使得次框架的位移响应增加，但是隔震率没有受到影响。2个次框架的隔震率没有明显差异，但第2次框架的位移响应一般要大于第3次框架，尤其是抗震结构。

2.3隔震层位移响应

罕遇地震下的隔震層位移关系到结构整体安全，位移响应值需小于隔震缝的宽度。地震激励下2个隔震层的位移响应幅值如表6所示。从表6可知，近断层地震激励下的隔震层位移响应比远场地震大30%左右，且在Ⅲ类场地近断层地震激励下的隔震层位移响应比在Ⅱ类场地近断层地震激励下大10%左右。隔震层位移最大值为5.58 mm，未达到15 mm的隔震缝宽；试验中，次框架没有与主框架发生碰撞，结构安全。

表6次框架隔震层位移响应（单位：mm）

Tab.6Displacement responses of isolation layers

（Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N第3次框架5.233.865.58第2次框架4.643.645.143主框架动力响应〖2〗3.1主框架加速度响应地震激励下，主框架3个结构层的加速度响应峰值及减震率列于表7。主框架顶层的加速度响应时程如图6所示。

从表7和图6数据可知，3条地震动激励下，隔震次框架对主框架的加速度响应具有明显的调谐减震效果，减震率不小于28.98%，最大值达34.01%。前述在不同特性地震动激励下，次框架的响应规律对于主框架的地震响应仍然适用：在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动激励下，主框架的加速度响应比在Ⅱ类场地远场ChiChi2F地震动激励下大10%左右；在Ⅲ类场地近断层ChiChi3N地震动激励下的主框架加速度响应比在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动大20%左右，但是减震率没有明显变化。3个结构层中，中间层的加速度响应较小，顶层的加速度响应减震效果好一些。

表7主框架加速度响应及减震率（单位：m/s2）

Tab.7Acceleration responses and controlled effects of main structure beams （Unit： m/s2）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N顶层抗震6.886.188.01三维隔震4.544.085.41减震率34.01%33.98%32.46%中间层抗震4.324.035.56三维隔震3.012.733.84减震率30.32%32.26%30.94%底层抗震5.284.846.51三维隔震3.753.344.45减震率28.98%30.99%31.64%图6主框架顶层加速度响应时程

Fig.6Acceleration time histories of top of the main structure

3.2主框架位移响应

地震激励下，主框架各层的位移响应峰值及调谐减震率列于表8。限于篇幅，同样仅画出顶层主框架梁的位移响应时程，如图7所示。

表8主框架梁位移响应及减震率（单位：mm）

Tab.8Displacement responses and controlled effects of main structure beams （Unit： mm）

ChiChi2NChiChi2FChiChi3N顶层抗震9.838.1212.23三维隔震6.645.898.33减震率32.45%27.46%31.89%中间层抗震6.545.497.53三维隔震4.233.835.01减震率35.32%30.24%33.47%底层抗震4.223.534.77三维隔震2.832.543.34减震率32.94%28.05%29.98%从表8和图7数据可知，在3条地震动激励下，隔震次框架对主框架梁位移响应都具有明显的调谐减震效果，减震率不小于27.46%，最大值达35.32%。与前述主框架的加速度响应规律相似：在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动激励下，主框架的位移响应及调谐减震率都明显比在Ⅱ类场地远场ChiChi2F地震动激励下大，抗震结构响应增大约20%，三维隔震结构响应增大约10%，说明近断层地震的脉冲效应加剧了主框架的位移响应；在Ⅲ类场地近断层ChiChi3N地震动激励下的主框架位移响应明显比在Ⅱ类场地近断层ChiChi2N地震动激励下来的大，约13%～26%，但是减震率没有明显影响，3个结构层中，中间层主框架梁位移响应的减震效果更好。

3.3主框架基底剪力

3条不同特性地震动激励下，主框架柱底部剪力时程如图8所示，抗震结构响应幅值分别为18.02，15.14，20.26 kN，三维隔震结构响应幅值分别为11.46，10.46，13.14 kN，减震率达36.40%，30.91%，35.14%，减震效果明显且相差不大。同主框架的加速度和位移响应规律一样，近断层地震激励下的基底剪力响应比远场地震大10%～20%，且Ⅲ类场地地震动激励下比Ⅱ类场地地震动大13%左右。

4数值分析

利用ETABS有限元软件对振动台试验模型进图7主框架顶层位移响应时程

Fig.7Displacement time histories of top of the main structure

图8巨型框架基底剪力响应时程

Fig.8Base shear time histories of the main structure

表9数值分析用地震记录

Tab.9Ground motions for the numerical analysis

名称场地类型测站分量断层距/km脉冲周期/s间隔/sPGA/（gal）PGV/（cm·s-1）PGV/PGA2N1

2N2

2N3Ⅱ类近断层TCU049

TCU051

TCU0533.76

7.64

5.9510.22

10.38

13.12273.44

157.46

225.0463.52

53.82

67.290.23

0.34

0.302F1

2F2

2F3Ⅱ类远场TAP032

TAP051

TAP103WE94.84

103.46

116.02/

/

/0.005

108.26

111.34

120.5818.31

15.32

15.880.17

0.14

0.133N1

3N2

3N3Ⅲ类近断层CHY101

CHY036

CHY0249.94

16.04

9.765.34

5.13

4.57333.20

267.37

257.1184.46

62.55

66.760.25

0.24

0.26注：记录名称中“N，F”表示“近断层、远场”，前缀“2，3”表示“Ⅱ，Ⅲ类场地”，后缀“1，2，3”表示数量编号。

行建模：定义了第1节所述的模型构件截面及常用的钢材材料属性；采用连接单元Isolator 1模拟支座，两水平向设置为非线性，竖向为线性，相应参数参考表2进行设置。数值分析得到的抗震结构和三维隔震结构的基本周期为0.492 s和0.529 s，与试验结果误差为5.9%和11.7%。为进一步验证振动台试验的分析结论，本节依照振动台试验工况；另外选取自集集地震的每个场地3条地震动，地震动参数如表9所示，进行水平地震激励下的数值分析。

图9和10分别为9条地震动作用下，结构体系的加速度响应和位移响应；每个图都包括了主框架和次框架的响应；横坐标为楼层，其中M表示主框架楼层，S表示次框架楼层。图例中的un表示抗震结构（即无控结构），con表示三维隔震结构（即有控结构）。从图中仍可以看到前述振动台试验结果分析的结构响应规律：隔震效果和调谐减振效果明显；同类场地的近断层地震动作用下的结构响应比远场来得大；在Ⅲ类场地近断层地震动作用下的结构响应比Ⅱ类场地大；第2次框架的响应一般大于第3次框架等。

图9结构体系加速度响应

Fig.9Acceleration responses of the structures

图10结构体系位移响应

Fig.10Displacement responses of the structures5结论

本文通过振动台对比试验研究在次框架底部设置三维隔震之后，巨子结构的近断层和远场地震响应，得到以下几点结论：

（1） 与基础隔震相比，由于设置隔震层的形式不同，减震机理不同，巨子三维隔震结构将隔震层上移至次框架底部并未延长结构的基本周期。

（2） 由于近断层地震动的脉冲效应，近断层地震动激励下次框架和主框架的动力响应比相同场地的远场地震动大10%～20%。

（3） 由于近断层地震动的长周期成分与结构基本周期更接近，在Ⅲ类场地近断层地震动激励下的结构动力响应比Ⅱ类场地近断层地震动大10%～25%。

（4） 三维隔震层对次框架的水平地震响应具有显著的隔震效果，近、远场及场地类型对隔震率没有明显影响；位次较低的第2次框架的动力响应大于第3次框架；罕遇地震激勵下的隔震层位移幅值小于隔震缝宽，试验中的主、次框架未碰撞。

（5） 三维隔震次框架对主框架的水平地震响应具有明显的调谐减震效果，近、远场及场地类型对其减震率没有明显影响。

（6） 由于试验条件所限，未进行三维地震激励下的地震模拟振动台试验，后续将对其进行相关数值计算。水平地震激励下的数值分析表明，试验得到的结构响应规律具有普遍性。

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