考虑土-桩筏基础-结构的共同作用的层间隔震结构地震响应

2021-04-29房思彤刘德稳张亚飞

科学技术与工程 2021年9期

房思彤，刘德稳*，张亚飞，雷敏

(1.西南林业大学土木工程学院，昆明 650051； 2.同济大学土木工程学院，上海 200091)

层间隔震结构是一种新型隔震体系，近年来其隔震性能受到各国学者关注。近年来，中国建筑行业发展迅速，对房屋的安全性愈发重视，以往对于结构研究的刚性基础假定具有局限性和不真实性，对考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction，SSI)更加全面的认识与研究将具有价值。

针对SSI效应的抗震结构体系，一些组织机构和学者进行了研究，王刚[1]用四层砖砌体结构作为研究对象输入地震波，比较不同技术下结构从基础开始变形至完全破坏的过程，发现所提技术对多层专题建筑结构的抗震加固性能好。张望喜等[2]对某 6 层办公楼的框架进行了分析研究，发现在考虑土-结构相互作用后，钢筋混凝土(reinforced concrete，RC)框架结构自振周期变长，频率下降，结构顶点位移变大，整个结构最下层柱铰变多。朱林等[3]总结了用于结构减震的多种安装形式的黏滞阻尼器，提出一种新的简易抗震装置，具有较好的隔震性能。李清等[4]发现大底盘双塔结构在地震时底盘与上部塔楼连接处的薄弱层易遭到破坏，采用层间隔震技术，结果表明：隔震结构的加速度幅值、层间位移、底部剪力都相应地减小。Xia等[5]研究大跨度钢、木混合结构屋盖的抗震性能，从基本周期与抗侧刚度比、地震作用估算、承载力设置、抗震变形验算、连接与基础设计5个测试参数展开，结果表明：跨度钢、木混合结构屋盖相对单一结构屋盖而言,抗震性能更好。Pan等[6]以上海中心大厦为实例进行研究，建立了基于宏梁理论的集总质量有限元模型，通过简化模型提供了一种预测其地震响应的有效方法，并且其输出对于长期健康监测和地震翻新领域的广泛应用是可靠的。Mokhtari等[7]以研究RC建筑物的抗震能力，对6层RC建筑物进行了分析检查，对远断层地面运动进行了增量动力分析，建议是否使用摩擦摆轴承(friction pendulum bearing，FPB)。周力强等[8]以3层的钢框架结构为分析模型利用Sap2000对上部结构质量中心和隔震层质量中心、刚度中心分布不均匀的3种方案，研究表明：隔震层的刚度中心偏心距较质量中心偏心距对上部结构的影响更大。易鸣等[9]以某框架结构基础隔震楼和与其相近的非隔震楼进行对比，总体来说,隔震支座可以显著降低水平向地震对于结构的不良反应,值得推广应用。刘学军等[10]、周力强等[11]、尚守平等[12]均研究表明考虑SSI效应下结构地震响应具有差异，颜桂云等[13]以山东鄄城的某学校6层钢筋混凝土框架结构教学楼利用不同类型的地震波隔震支座来对比减震效果的强弱，给隔震设计起一定的参考作用，李敬宇等[14]对隔震层放置不同位置对地震响应参数具有相关性。

以上均为抗震体系和基础隔震体系，对于考虑SSI效应的桩基础层间隔震结构体系，尚未有学者涉及。基于此，现建立考虑SSI效应下层间隔震结构模型，通过地震作用下结构的非线性响应分析，揭示考虑SSI效应下层间隔震结构地震响应规律，给实际工程提供理论依据。

1 有限元模型建立

1.1 工程概况

某8层框架结构建立层间隔震结构，设防烈度8度，场地类别Ⅱ类，地震设计分组第二组，采用框架结构体系，隔震层在2层顶。结构长40 m，宽32 m，层高3 m，柱尺寸为800 mm×800 mm，梁尺寸为600 mm×300 mm，柱混凝土强度等级为C40，梁混凝土强度等级为C30，纵向钢筋型号为HRB400，箍筋型号为HRB300，混凝土保护层厚度为30 mm。基础采用桩筏基础，上部结构阻尼比为0.05，地基土体阻尼比为0.2，采用瑞利阻尼。图1为结构三维有限元模型，表1为基底下不同土体参数，表2为黏性边界参数。

表2 边界黏性单元

表1 采用不同地基土参数

图1 考虑土-桩筏基础-结构的层间隔震结构3D图Fig.1 3D diagram of story isolation structure considering soil pile raft foundation structure

本模型梁柱采用beam单元，楼板采用shell单元，基础采用solid单元，三者采用tie绑定，共节点耦合连接。模拟土体截取的约16倍边长的长方形，长为400 m，宽为300 m，深度方向为30 m，在土体边界处采用黏弹性边界吸收地震波，地震波在基岩底部施加，使得结构及土体受到地震作用，采用非线性弹簧进行模拟隔震支座。

1.2 地震波选取

通过美国太平洋地震中心选取3条地震动南京波、天津波和兰州波，地震动基本信息如表3所示，地震波的加速度反应谱如图2所示。

表3 三类地震动基本信息

图2 地震波反应谱Fig.2 Seismic wave response spectrum

2 考虑SSI效应下层间隔震地震响应

2.1 基底采用不同性质土时的层间隔震结构地震响应

基底采用不同性质土时结构频率对比如表4所示。

表4 基底采用不同性质土时结构模态分析前3阶周期

由表4可知，考虑土-结构相互作用后，不同地基假定计算出的结构周期相比，在前三阶，软土层比硬土层的结构体系自振周期延长。3种地震波下基底采用不同性质土时结构的基底剪力如图3所示。

图3 基底下采用不同性质土时的天津波、南京波和兰州波的结构基底剪力对比图Fig.3 Comparison of shear force of structural basement of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave under different soil properties

由图3可知，在3种地震波的输入下对考虑SSI效应的层间隔震结构进行地震响应分析，基底下采用不同性质土时，不考虑SSI效应的基底剪力明显大于考虑SSI的情况，而基底采用硬土层时又较软土层的剪力更大。3种地震波输入下基底采用软、硬土时楼层位移图如图4所示。

由图4可知，3种地震波输入下对考虑SSI效应的层间隔震结构进行地震响应分析，基底采用不同性质土时，不考虑SSI效应的楼层位移明显大于考虑SSI的情况，而采用硬土层时又较软土层时楼层位移更大。基底采用不同性质土下结构应力、应变及位移云图如图5～图7所示。

图4 不同性质土层时的天津波、南京波和兰州波的楼层位移图Fig.4 Floor displacement diagram of Tianjin wave, Nanjing wave and Lanzhou wave under different soil layers

由图5～图7可知，基底采用不同性质土时，上部结构及土体整体的应力应变有所区别，随着土体的刚度增大，基底采用硬土层时的应力、应变大于采用软土层的情况。

图5 基底采用不同性质土时上部结构应力图Fig.5 Stress diagram of superstructure with different soil properties

图6 基底采用不同性质土时土体应力图Fig.6 Stress diagram of soil mass with different soil properties

图7 基底采用不同性质土时土体应变图Fig.7 Strain diagram of soil mass with different soil properties

2.2 不同桩长的层间隔震结构地震响应

采用不同桩长时(浅桩基础3 000 mm，深桩基础6 400 mm)时结构周期比如表5所示。

由表5可知，考虑SSI时，深桩基础比浅桩基础的结构模态频率大、周期小。3种地震波下不同基础埋深地震响应如图8所示。

表5 采用不同桩长时模态分析前3阶周期

由图8可知，不考虑SSI效应的结构基底剪力明显大于考虑SSI的情况，浅桩基础的结构基底剪力值较深桩基础体系降低。这是由于深桩基础与浅桩基础相比，其地基对上部结构多了基础周围约束，加强了对上部结构的约束作用，使得基础的回转运动减弱，传递给上部结构的加速度增大，因此基底剪力增大。三种地震波下不同基础桩深时结构位移响应如图9所示。