近断层脉冲型地震动作用下高层建筑组合隔震的减震性能研究

潘钦锋 颜桂云 吴应雄

摘要： 近断层地震动中的长周期、短持时、高能量的加速度脉冲将对长周期高层隔震结构的减震性能产生不利影响，尤其易使LRB（lead-rubber bearing）支座产生超限变形，导致在大的面压与位移共同作用下发生剪压破坏;此外，考虑土-结构相互作用（SSI效应）后隔震结构将产生动力耦合效应，可能进一步放大隔震结构地震响应。提出滑板支座、复位装置相结合的新型组合隔震系统，利用滑板支座承担大的竖向荷载、复位装置因不承担竖向荷载而获得更大的变形能力且起隔震层自复位作用。考察近断层脉冲型地震动作用下长周期高层隔震结构的地震响应规律，揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR（sway-rocking）模型，分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明：近断层罕遇地震下LRB隔震系统因变形超限而失效;新型组合隔震系统能保证近断层脉冲型地震下隔震的有效性，且具有较为良好的减震性能，但相比普通地震动减震效果变差;对于Ⅲ，Ⅳ类场地类别，考虑SSI效应使隔震体系的刚度弱化，致使层间位移角增大，且随着土质的变软增大的幅度也越明显。

关键词： 组合隔震; 近断层脉冲型地震动; 减震性能; 土-结构相互作用

中图分类号： TU352.1  文献标志码： A  文章编号： 1004-4523（2019）05-0845-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.05.013

引 言

近年来，近断层地震动造成结构物破坏的现象时有发生，例如1999年台湾集集地震，对结构物造成了严重破坏。近断层地震动中，部分地震动记录具有长周期、短持时、高能量的加速度脉冲、大的加速度峰值等特点，亦被划分为近断层脉冲型地震动，其对于长周期的结构，可能造成较大的位移和变形，导致结构严重损坏[1-3]。目前，国内外对近断层地震动作用下隔震结构动力行为开展了一些研究。王建强等[4]研究了近断层脉冲型地震动及其特性对结构地震反应的影响，表明近断层脉冲型地震动对基础隔震结构的地震反应有较大影响，甚至可能造成支座由于水平变形较大而被破坏。吴应雄等[5]证明了近场脉冲长周期地震动作用下结构减震效果较差，隔震层位移明显大于位移容许值。韩淼等[6]研究了近断层地震动特征参数对基础隔震结构地震响应的影响。杜永峰等[7]研究了近断层脉冲型地震动下，场地类别和震源机制对反应谱频谱特性的影响，表明场地类别和震源机制不同，地震动强度指标与结构响应的相关程度不同。Jangid[8]对近断层地震动作用下基础隔震结构进行了地震反应分析和优化设计。Calugaru等[9]研究表明组合基础隔震结构是一种有效的隔震减震技术。王栋等[10]采用天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、弹性摩擦滑板支座加阻尼器的组合基础隔震系统，通过时程分析表明，组合基础隔震系统可以有效减小近断层地震下结构的地震响应。

已有研究表明，在近断层脉冲型地震动作用下，隔震层易产生超限变形，而高层隔震结构支座承受更大的压力，易致使铅芯橡胶支座在大的面压与位移共同作用下发生剪压破坏。此外，在近断层脉冲型地震动作用下考虑土-结构相互作用后的隔震结构将产生动力耦合效应，可能进一步放大隔震结构地震响应。为此，近断层脉冲型地震动作用下长周期的高层隔震的非线性减震机理与减震性能需进一步探讨。

本文提出滑板支座、复位装置相结合的新型组合隔震系统，利用滑板支座承担大的竖向荷载，复位装置不承担竖向荷载而获得更大的变形能力且起隔震层自复位作用。考察近断层脉冲型地震动作用下长周期的高层隔震结构的层间位移角、楼层加速度、隔震层变形等响应规律，揭示隔震体系的损伤机理，探讨地震动特性与土-结构动力相互作用对新型组合隔震系统减震性能的影响。

1 近断层脉冲型地震动的选用

Loh等[11]指出峰值地面速度与峰值地面加速度之比（PGV/PGA）是识别近震效应的主要特征，PGV/PGA>0.2 s，近震对结构的效应明显。本文从美国太平洋地震工程研究中心强震数据库中（http：//peer.berkeley.edu/）选取6条近断层脉冲型地震动记录，同时选取3条普通地震动记录El-Centro，Taft，TCU071，如表1所示。表中PGD为峰值地面位移，Tp为加速度脉冲周期，以体现近断层脉冲型地震的加速度脉冲特性。

2 新型组合基础隔震方案

文献[12]研究表明，在5 MPa的较小竖向压缩面压下，铅芯橡胶支座可获得400%剪切应变（对应于0.7-0.8倍支座直径的剪切变形）的良好变形能力。据此，本文拟采用铅芯橡胶支座用作复位装置而非传统隔震支座，兼起一定的耗能作用。提出新型组合隔震方案：滑板支座（ESB）+铅芯橡胶复位装置。由滑板支座承担竖向荷载，铅芯橡胶复位装置因无需承担竖向荷载而可获得更大的变形能力，并起到复位与耗能作用。故而避免铅芯橡胶支座基础隔震中或传统滑板支座（ESB）与铅芯橡胶支座组合隔震中，支座在大的面壓与位移下发生剪压破坏。

3 高层建筑新型组合隔震减震性能〖*2〗3.1 结构模型参数  某一幢15层框架-剪力墙隔震结构，结构总长为48 m，宽为15 m，底层层高4.2 m，其余楼层层高3.3 m，高宽比为3.36。隔震层位于结构底部，层高1.5 m，隔震层梁截面尺寸为400 mm×800 mm。设防烈度8度（0.20g），地震设计分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。剪力墙与柱混凝土强度等级C40，梁混凝土强度等级C30。结构平面与LRB隔震支座布置如图1所示，新型组合隔震系统布置如图2所示，隔震支座参数信息如表2与3所示。表2中等效阻尼比、等效刚度为支座100%剪切应变时的数值。

通过Midas/Gen 建立框架-剪力墙隔震结构有限元分析模型，如图3所示。在框架梁端、柱端与剪力墙端考虑集中塑性铰，塑性铰的模型采用由屈服强度和屈服后刚度折减系数定义的双折线模型。抗震结构模型的第1自振周期为1.16 s，基础隔震与新型组合隔震结构的第1自振周期分别为2.76，3.86 s。

3.2 近断层脉冲型地震动作用下结构响应分析

3.2.1 LRB隔震结构地震响应

图4为近断层脉冲型地震动设防烈度下结构的层间位移角响应。由图可见，普通地震动作用下隔震层上部结构的层间位移角减震效果明显。近断层脉冲型地震动作用下的铅芯橡胶基础隔震结构减震性能较好，但部分地震动的层间位移角减震效果明显劣于普通地震动。

表4为8度设防烈度下基础隔震结构的减震系数。由表可得，普通地震动减震系数在0.35以内，平均减震系数均低于0.35。近断层脉冲型地震减震系数在0.6以内，平均减震系数低于0.5。分析表明，铅芯橡胶基础隔震结构在设防烈度下的减震效果良好，但普通地震动作用下的减震效果优于近断层脉冲型地震动。

表5为设防烈度下基础隔震结构隔震支座的最大变形值。表中可得，近断层脉冲型地震动作用下的支座平均最大变形值达到普通地震动的3倍以上，尤其是TCU102作用下隔震支座变形在设防烈度下已超限。由此表明，在近断层脉冲型地震动加速度脉冲的作用下，隔震支座将产生较大的变形，从而导致支座在设防烈度下就可能发生超限破坏，按《建筑抗震设计规范》中近场影响系数1.5进行的隔震设计可能偏不保守。

图5与表6分别为罕遇地震下结构弹塑性层间位移角响应与减震率。结合图5与表6可得，普通地震动作用下隔震结构弹塑性层间位移角减震效果明显，减震率均在60%以上。近断层脉冲型地震动作用下，隔震结构下部1层弹塑性层间位移角减震效果较差，部分地震动作用下底部1层出现放大效应，其余楼层的平均减震率均在40%以上。可见，近断层脉冲型地震下结构的弹塑性层间位移角减震效果明显差于普通地震动。

表7为罕遇地震作用下隔震结构的加速度减震率。由表可见，普通地震下基础隔震结构的加速度减震率为65%-90%之间，平均减震率在70%以上;近断层脉冲型地震下的加速度在30%-70%之间，平均减震率均大于50%。结果表明，罕遇地震下的铅芯橡胶基础隔震对于结构的楼层加速度具有很好的减震效果，但近断层脉冲型地震动作用下的加速度减震效果劣于普通地震动。

表8为罕遇地震下隔震支座最大变形值。由表可得，普通地震动作用下隔震支座的最大变形平均值为138 mm。近断层脉冲型地震动作用下隔震支座的平均最大变形值为普通地震动的3倍，且超过铅芯橡胶支座最大容许变形值（0.55D）。由此表明，在近断层脉冲型罕遇地震動加速度脉冲作用下，铅芯橡胶基础隔震已经失效，《建筑抗震设计规范》中取近场影响系数1.5，不能充分考虑脉冲型地震动对隔震结构的影响。

3.2.2 新型组合隔震结构地震响应

图6为设防烈度下结构的层间位移角响应。由图可得，普通地震动作用下隔震层上部结构层间位移角减震效果明显。近断层脉冲型地震动作用下的层间位移角减震效果较好，但劣于普通地震动下的减震效果。

表9为近断层脉冲型地震设防烈度下铅芯基础隔震与新型组合隔震结构的减震系数。表中可得，近断层脉冲型地震下铅芯基础隔震结构的减震系数在0.6以内，平均减震系数0.30-0.45之间;新型组合隔震的减震系数在0.55以内，平均减震系数在0.25-0.40之间。可见，新型组合隔震结构的减震效果优于铅芯橡胶支座基础隔震。

表10为8度设防烈度下隔震支座的最大变形值。普通地震下隔震支座的平均位移为54 mm，近断层脉冲型地震动作用下隔震支座最大变形比普通地震动显著放大4倍。分析表明，由于脉冲特性的影响，隔震支座在近断层脉冲型地震动作用下的位移值将明显增大。且按《建筑抗震设计规范》中近场影响系数1.5的新型组合隔震结构设计，不能够有效反应脉冲特性对隔震结构的不利影响。

图7与表11分别为罕遇地震下新型组合隔震的弹塑性层间位移角响应与减震率。由图7表明，新型组合隔震对普通地震动具有很好的减震性能，且减震效果优于近断层脉冲型地震动。表11表明，近断层脉冲型地震动作用下新型组合隔震结构减震性能较明显，但底部一层的弹塑性层间位移角有所放大，且减震效果劣于普通地震动。铅芯橡胶基础隔震减震性能比新型组合隔震优越，但近断层脉冲型地震下的铅芯橡胶基础隔震由于隔震层位移过大而处于失效状态，不能满足近断层脉冲型地震下的结构减震需求。

表12分别为罕遇地震下基础隔震与新型组合隔震结构楼层加速度减震率。表中可得，近断层脉冲型地震动作用下基础隔震结构加速度的平均减震率在50%-70%之间;新型组合隔震的加速度减震率均在30%以上，平均减震率在45%-80%之间，中部楼层加速度减震率明显提高15%左右。表明，新型组合隔震加速度减震效果与铅芯橡胶基础隔震结构相近，但中部楼层的加速度减震效果能得到明显提高。

表13为罕遇地震下隔震支座的最大变形值。普通地震动作用下隔震支座的平均最大变形值为142 mm，远低于ESB容许变形值500 mm。近断层脉冲型地震下的隔震支座平均最大变形值为444 mm，明显比普通地震动大3倍，但仍在ESB与复位装置允许变形范围内。

图8为罕遇地震下结构的塑性铰分布。由图表明，普通地震下的抗震结构框架与剪力墙连梁出现大量塑性铰，剪力墙底部也有少量塑性铰出现，但经隔震后框架与剪力墙的塑性铰全部消失。近断层脉冲型地震动作用下的抗震结构框架与剪力墙塑性铰的数量明显比普通地震动多，且经隔震后框架与剪力墙连梁存在塑性铰。新型组合隔震结构对于普通地震动与近断层脉冲型地震动均具有显著减震效果，但近断层脉冲型地震下的新型组合隔震隔震结构损伤相对于普通地震动明显加剧。

为讨论不同剪切波速对考虑SSI 效应的层间隔震结构产生的影响，采用3 种不同剪切波速的地基土，代表不同场地土的软硬程度，且暂不考虑覆土层厚度。按式（1） 中所提供算式计算土弹簧的水平刚度、水平阻尼系数及转动刚度、转动阻尼系数，详细参数如表14所示。由表可见，土弹簧的刚度随土的剪切波速及密度的增大而增大，即土越硬，刚度越大。

3.3.2 新型组合隔震考虑SSI效应结构响应分析

图9为不同场土地类别考虑SSI效应后，近断层脉冲型地震动与普通地震动作用下结构的峰值层间剪力反应。由图可见，考虑土与结构共同作用后，普通地震动与近断层脉冲型地震动作用下新型组合隔震结构的峰值层间位移变化较小，均在5%以内。分析表明，考虑SSI效应后，结构自振周期的降低对于基础隔震结构的最大层间剪力影响较小。

不同场土地类别考虑SSI效应后，近断层脉冲型地震动与普通地震动作用下结构的弹塑性层间位移角如图10所示。普通地震动作用下新型组合隔震结构考虑土与结构共同作用后，Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地平均弹塑性层间位移角最大分别增大6.6%，19.2%，56.8%;而近断层脉冲型地震动作用下的平均弹塑性层间位移角最大值分别增大10.8%，40.5%，72.3%。分析原因，主要是因为考虑SSI效应后，结构的自振周期相比底部固结的有所增大，结构的刚度降低导致结构的层间位移角增大;此外，近断层地震动加速度脉冲与土-结构相互作用产生动力耦合效应导致层间位移角明显大于普通地震动下的层间位移角。Ⅲ和Ⅳ类场地考虑SSI效应的层间位移角增大35%以上。

表15为不同场地土考虑SSI效应下，近断层脉冲型地震下隔震支座的最大变形值。由表可见，近断层脉冲型地震动考虑SSI效应后，隔震支座的最大变形值随着场地的变软逐渐增大，但变化并不明显。

4 结 论

（1） 近断层脉冲型地震动作用下，铅芯橡胶基础隔震结构虽然具有一定减震效果，但相比普通地震动作用下减震效果变差。此外，近断层脉冲型罕遇地震动作用下的隔震支座变形均已超限，易致使铅芯隔震系统失效破坏。

（2） 提出的滑板支座、铅芯橡胶复位装置相结合的新型组合隔震系统，由于铅芯橡胶复位装置不承受面压，复位装置的最大变形值得以放宽，新型组合隔震系统能保证近断层脉冲型地震下隔震的有效性，且具有较为良好的减震性能。此外，近断層脉冲型地震下的隔震支座最大变形值大于普通地震的1.5倍，抗震规范中近场影响系数1.5不能充分地考虑脉冲地震动对隔震结构的不利影响。

（3） 近断层脉冲型地震动作用下，考虑SSI效应后隔震结构的峰值层间剪力基本不受影响;SSI效应使得隔震体系的刚度弱化，致使层间位移角增大，且随着土质的变软（Ⅲ，Ⅳ类场地）增大的幅度也越明显;此外，近断层地震动加速度脉冲与土-结构相互作用的动力耦合效应导致层间位移角进一步增大。因此，近断层脉冲型地震动作用下Ⅲ和Ⅳ类场地上基础隔震结构设计应考虑SSI效应对结构的不利影响，近断层脉冲型地震动作用下Ⅳ类场地须谨慎采用隔震方案。

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Abstract： The horizontal pulse motions of acceleration featured by long period， short duration and high energy in near-fault ground motions would exert the adverse impacts on the seismic performance of the long-period base-isolated high-rise structures， resulting in the excessive deformation of the LRB. The shear-compression failure of the isolation bearing would be caused under the cooperative action of large surface pressure and the excessive deformation. Furthermore， the soil-structure interaction （SSI） would result in the dynamic coupling effect， which may further amplify the seismic response of the isolated structure. To this end， a new-type composite isolation system that combined slide bearings and reset devices is presented， in which the slide plate bearings is used to resist large vertical load， and because of no bearing vertical load the reset devices get greater deformation capacity and act as a self-reset function of the shock isolation layer. Then， the impacts of near-fault pulse ground motions on the base-isolated high-rise structures are revealed， and the damage mechanism of the isolation system is examined. Further， based on the sway-rocking model， the effects of different site types and different ground motion types on the dynamic response of the isolation system are analyzed. The results show that the excessive deformation of the LRB system subjected to near-fault rarely ground motions are caused， resulting in the failure of the lead rubber system. The new-type composite isolation system can ensure the effectiveness of isolation subjected to near-fault pulse ground motions， and has good seismic absorption performance which is worse than that under ordinary ground motion. For Ⅲ and Ⅳ sites， the interstory drift ratios increase obviously with the soil softening because of the SSI effect weakening the stiffness of the seismic isolation system.

Key words： composite isolation; near-fault pulse ground motions; shock absorption performance; soil-structure interaction

作者簡介： 潘钦锋（1975-），男，硕士，副教授。 电话：13338283456;E-mail：phnpan@163.com

通讯作者： 吴应雄（1969-），男，博士，博导，副教授。电话： 13950075100;E-mail： wyxfz2006@163.com