远场长周期地震作用下桩-土-层间隔震结构体系的响应特征与失效控制

吴应雄，林友勤

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108；2.福建省土木工程多灾害防治重点实验室，福建 福州350108)

通过采用建筑隔震技术延长结构的自振周期，有效地避开了场地的特征周期，增大了结构的阻尼，通过隔震层的耗能作用降低了结构的地震响应[1-2]。根据隔震层安装位置的不同，隔震结构可分为基础隔震和层间隔震。新发展的层间隔震技术突破了基础隔震结构隔震层只能布置在结构底部的限制，根据结构自身的特点灵活布置隔震层，易使建筑和使用方面满足要求[3]，近年来，层间隔震技术的研究与应用得到了长足的发展。目前，国内外学者对隔震结构的理论分析和抗震设计多基于刚性地基假定上，不考虑土-结构相互作用效应[4-5](土-结构相互作用效应简称“SSI效应”)。对于建立在基岩或坚硬地基上的隔震结构，地震波基本不会改变其特性，直接作用在结构基底上。而对于建立在软弱地基上的结构，地基土将改变输入地震波的动力特性，增大结构动力体系的阻尼，延长周期，由于体系变柔，使基底产生一定的摇摆运动，此时，基于刚性假定下设计的隔震结构可能无法体现出应有的减震效果，从而导致计算结果产生较大误差[6-8]。我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(简称“《2010版抗规》”)第12章12.1.3条，以及《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)(简称“《2021隔震设计标准》”)规定：隔震结构建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型。但是这两本规范和标准中对处于深厚软弱土层地基上的结构采用隔震技术的相关规定和计算方法并未涉及。针对桩-土-层间隔震结构体系，强震下的桩与土之间会产生分离和滑移等问题，导致桩土接触面分离、滑移程度发展，影响上部隔震结构的动力反应特征。同时，深软土层场地上隔震结构的摇摆效应尤为明显，可能会引起基础与地基的大面积受拉分离现象，进一步加大上部结构的摇摆效应。日本《隔震结构设计规范》指出：在软弱场地的情况下，地震动出现长周期化的同时，SSI效应对输入地震波特性有可能产生相当大的影响[9]。因此，桩-土-层间隔震结构体系的动力耦合机理需要研究。

长周期类谐和地震动包含丰富的低频成分，对于周期较大的隔震结构在长周期地震作用下结构反应不同于普通地震动。在传播过程中高频成分随传播距离衰减而低频成分因场地因素放大[10]，后期振动阶段类似谐波振动，对自振周期较长的结构可能引起严重破坏[11]。例如，1995年的日本Kobe地震虽然震级只有6.9级，但却造成近断层附近的工程结构严重破坏；2008年我国汶川发生8.0级大地震，距离震中1 800 km的上海，高层建筑出现了剧烈晃动，引起恐慌，震害尤为明显。目前2010版《抗规》和2021版《隔震设计标准》中的抗震设计谱没有考虑长周期地震动的影响，对于隔震结构等长周期结构的设计分析可能偏不安全。沿海大城市在软土地基上建造隔震建筑，松散沉积层会放大地震波的长周期成分，从而加大长周期隔震建筑的震害[12]。

目前，针对考虑SSI层间隔震结构体系在长周期类谐和地震作用下动力行为的研究还未见报道，其动力耦合作用将使结构基本周期较刚性地基假定下的基本周期延长，其在长周期地震下结构反应明显。虽然桩-土-层间隔震系统延长了结构的基本周期，防止结构因高频和高峰值加速度作用而破坏，但会增强结构在长周期地震作用下的响应。尤其当地震动的长周期类谐和成分丰富，场地的卓越周期长，若结构的基本周期与长周期类谐和成分和卓越周期相近时，易形成“双共振”效应，隔震结构响应强烈，易导致隔震支座水平剪切变形破坏或拉压破坏，亦可能导致局部结构构件特别是隔震层下部结构的破坏，从而导致隔震结构整体损伤破坏。因此，长周期类谐和地震下按照传统远场地震动设计的层间隔震结构可能无法满足安全要求。

此外，对于桩-土-层间隔震结构体系，其隔震层处仅有一道“抗震防线”，当其在长周期地震作用下，尤其形成“双共振”效应时，隔震层的局部破坏将引起结构的连续倒塌。通过在桩-土-层间隔震结构体系的设置消能器，可保持隔震层在长周期地震或“双共振”效应下的稳定性，成为隔震层的第二道防线。

综上所述，开展不同场地上桩-土-层间隔震结构动力相互作用机理及其在长周期地震下的失效机制与控制的研究具有重要的科学意义和工程实用价值。本文旨在完善桩-土-上部结构动力相互作用的相关基本理论与计算方法，为深厚软弱地基上采用层间隔震结构技术提供科学依据和具体的指导。

1 考虑土-结构动力相互作用的隔震结构研究

土-隔震结构作为土-结构相互作用研究课题的分支，既有土-结构相互作用的特点，同时隔震橡胶支座的加入使得相互作用问题有了新的特征，隔震结构体系的设计通常基于刚性假定，然而SSI效应对隔震结构的影响是客观存在的，考虑SSI效应后可能对隔震结构产生更为不利的影响。目前，针对该科学问题的主要研究主要包括理论分析、数值分析和模型试验。

理论分析方面，Constantinou等[13]、Novak等[14]采用简化分析模型，研究了SSI效应对隔震结构动力特性的影响规律，验证了考虑SSI效应在隔震结构体系中的重要性。Luco[15]和Spyrakos等[16]分别采用弹簧和阻尼器模拟SSI效应，建立了相关的简化分析模型，为SSI效应理论分析提供了可靠的科学方法。李昌平等[17]建立了考虑SSI效应基础隔震结构的简化分析模型，表明SSI效应对于高层隔震结构的影响比中低层结构大。于旭等[18]给出和改进了土-隔震结构体系动力特性参数的计算公式和简化分析方法，为隔震结构考虑SSI效应的影响提供了简便有效的分析方法。张尚荣等[19]建立了层间隔震结构考虑SSI效应的简化分析模型，结果表明，考虑SSI效应的层间隔震结构，延长了体系周期，同时放大了各子结构位移反应；对上、下部子结构的加速度反应影响不同，其影响程度主要与场地剪切波速和体系高宽比有关。然而，对SSI效应的理论研究均基于弹性半空间理论简化结构地基，很难考虑地基内土体的多层性和非线性等实际情况，强震时土体的软化不能有效考虑，从而影响隔震支座和隔震结构的动力特性，使得分析结果与实际情况还有一定的差距。

数值分析方面，数值计算方法能够弥补简化计算方法的不足，充分考虑结构地基土体的多层性、非线性和各向异性等复杂地质条件对上部隔震结构动力反应的影响。Cho等[20]采用有限元和边界元的耦合，建立了土-基础隔震耦合动力系统，并通过算例验证了该方法的准确性和适用性。Mahmoud等[21]对软弱地基上基础隔震高层结构的非线性动力反应进行研究，表明地基刚度对上部隔震结构有非常明显的影响。Hokmabadi等[22]建立了SSI的三维有限元分析模型，研究了SSI效应对结构动力扭转和摆动的影响规律。李海岭等[23]、王阿萍等[24]分析了土-基础隔震有限元模型，表明刚性地基假定设计的隔震结构并不偏于安全，SSI效应不容忽视[25]。Pang[26]建立了大底盘单塔楼基础隔震结构有限元分析模型，研究了考虑和不考虑SSI效应时隔震体系动力特性和地震响应的差异。项征等[27]研究了软土地基下基础隔震体系的基本频率和动力反应规律，考虑了不同的隔震层参数和地基土参数变化对基础隔震体系的影响，表明SSI效应使得隔震结构周期延长，土越软SSI效应越明显；SSI效应对层间隔震结构的地震响应造成不同程度的影响，土越软效果越明显[28-29]。杜东升等[30]研究了不同地震动作用下考虑SSI效应对隔震结构动力反应的影响，认为长周期地震动作用下结构的SSI效应更加显著。基于此，曾建仙等[31]分析了多类型长周期地震动作用下土-隔震体系的动力响应规律，结果表明，SSI效应使层间隔震体系在长周期地震动下Ⅲ、Ⅳ类场地上的层间隔震结构弹塑性层间位移角增大，土越软层间位移角增大越明显；远场长周期地震动作用下加速度响应和隔震层位移均有所放大，长周期地震动下考虑SSI效应后隔震结构的减震效果变差。上述已有的数值分析中主要是以等效线性模型来考虑土体的材料非线性，研究成果缺乏试验数据的支撑。

结构模型试验方面，有关学者开展了系列考虑SSI效应隔震结构模型试验研究，进一步验证考虑土-结构相互作用的理论分析和数值计算方法的可靠性。刘方成[32]通过振动台试验研究了土-结构界面接触的非线性特性、土-结构体系上下刚度比变化对SSI效应的影响等问题，提出了刚性结构基底软土夹层隔震的思路。吴应雄等[33]进行了振动台试验层状剪切型土箱的研制，研究表明，剪切型土箱能较好地模拟土体的边界条件，有效减少地震波的反射或散射效应。刘伟庆等[34]、李昌平等[35]对不同土性地基上基础隔震结构进行振动台试验，不同土性地基上隔震结构的地震响应和减震效果进行对比分析。庄海洋等[36-37]基于一般地基、软夹层地基和刚性地基上隔震结构进行振动台试验，结果表明：SSI效应使得基础及隔震层产生转动效应，减震效果与隔震层转动效应的强弱密切相关。于旭等[38]和朱超等[39]对比分析了不同类型地震动作用下软夹层地基上隔震结构的加速度响应，表明软夹层地基上基础隔震结构的减震率及动力反应与输入地震动特性和峰值强度有关。许立英等[40]进行不同土性地基考虑SSI效应的隔震结构地震响应研究，结果表明，硬土地基上的隔震结构减震率较刚性地基没有降低，仍能发挥较好的减震效果，而软土地基上隔震结构的减震效果减弱明显。吴应雄等[41]进行了远场长周期地震动下软土地基上层间隔震结构的振动台试验，指出考虑SSI效应后远场长周期地震动作用下隔震结构的减震效果远差于普通地震动，基础及隔震层的转动效应明显。

上述研究多考虑SSI对基础隔震结构的影响。然而，层间隔震体系的隔震层下部结构为抗震体系，其动力特性明显不同于基础隔震。目前考虑SSI的层间隔震研究国内外鲜有报道，唐能[42]考虑SSI效应对串联隔震结构地震响应进行分析，结果表明位移响应有所放大，且随着场地土的变软，对隔震效果影响增大显著。由于考虑SSI效应的隔震结构研究中存在各种不足，成为阻碍各国相关设计规范未能给出具体计算方法和条文的主要原因。

2 长周期地震动特性及结构响应研究

远场长周期地震动又称长周期类谐和地震动，记录中包含丰富的低频长周期成分。这些长周期分量若经过深厚软弱土层的放大，可使后期振动阶段产生多个循环的长周期脉冲，类似谐波振动，且持时较长，对自振周期较长的工程结构，诸如超高层建筑、高耸结构、隔震结构和大跨桥梁结构等产生较大反应，甚至造成损伤破坏。

廖述清等[43]进一步提出当震源位于由软弱沉积物形成的表层地基时，地震动中的长周期成分非常丰富。杨伟林等[44]研究认为远场长周期地震动加速度相对较低，但地震动位移较大，对长周期结构进行抗震性能分析时应考虑到起控制作用的位移、速度，而不仅限加速度。许智星等[45]根据其傅里叶谱的分布形式筛选出近场、远场长周期以及普通地震动，研究表明，长周期地震动反应谱卓越周期较大，建议规范设计谱的平台值以及特征周期应有所提高。杜东升等[46]研究了长周期地震动影响因素及频谱参数，认为加速度反应谱平均周期适合用来评价长周期地震动。王博等[47]选择40条远场长周期地震动，分别计算对应于每条地震动的12种代表性频谱特征周期参数与20种强度指标，建议远场长周期地震动抗震分析采用强度指标。许立英等[48]综合考虑273条地震动断层距、PGA、PGV/PGA及平均周期等地震动基本参数指标，对比其反应谱、傅里叶谱以及能量谱，指出长周期地震动具有能量大且集中于低频区域的特点。由于远场长周期地震动包含丰富的低频长周期成分，后期类似谐波振动，能量衰减缓慢，长周期结构在长周期地震激励下结构反应明显不同于普通周期地震下的结构反应。Minagawa等[49]认为隔震层的设置使得隔震体系的自振周期延长，同时会使得结构在长周期地震动作用下的减震性能降低。王亚楠等[50]对比了远场长周期、普通地震动作用下基础隔震结构地震响应的差异性，结果表明：远场长周期地震动作用下隔震结构的地震响应明显大于普通地震动，在隔震结构设计中应考虑其不利影响[51]。颜桂云等[52]以8条远场长周期地震记录与3条普通地震记录作为地震动输入，对一幢钢筋混凝土框架层间隔震结构进行非线性时程分析。结果表明，远场长周期地震作用下隔震结构的减震效果较普通地震动作用差，层间隔震结构非线性响应相比抗震结构几乎无减小，隔震支座最大位移远超其允许位移[53]。夏侯唐斌[54]开展了长周期地震动作用下大底盘基础隔震结构振动台试验研究，研究表明，长周期地震动作用下基础隔震结构的减震率明显下降，且结构扭转响应增大。

以上研究主要集中于长周期地震动特性与其作用下高层建筑地震响应的研究，但是针对远场长周期地震动作用下的隔震结构响应与损伤性能的相关研究仍然较少。

3 结构损伤评价与控制研究

采用合理的损伤模型和损伤指标是评估隔震结构在强震作用下安全水平的重要内容。在以往的地震中并没有观测到层间隔震结构出现严重损伤甚至倒塌，但未来地震的发生是不确定的，所以相应的理论支撑和准备是必要的。层间隔震体系是隔震技术与传统抗震技术的结合，其整体的损伤破坏机制比普通结构复杂，表现在结构损伤可能因隔震层的失效或局部结构构件的破坏所产生。其中隔震层的失效主要取决于地震作用下隔震支座的极限力学性能。而局部结构构件的损伤破坏一般由于结构竖向承载力丧失或水平侧向变形过大引起楼层失稳破坏。

首先，层间隔震体系中局部结构构件的损伤破坏可借鉴现有的普通结构损伤破坏的研究成果。Cosenza等[55]提出的基于滞回耗能、累积滞回耗能的损伤指标。为了研究延性和刚度等参数的影响，且竖向构件大都由于承载力不足而损伤，因此Shi等[56]提出的基于承载力的损伤指数也能反映结构倒塌性能。目前，局部或构件损伤模型包括结构最大塑性变形、结构累积耗能以及Park和Ang[57]提出的最大位移与滞回耗能线性组合的双参数地震损伤模型被地震工程界所普遍接受。在Park模型的基础上，欧进萍等[58]系统对钢筋混凝土结构地震损伤理论与应用进行了研究，包括地震损伤的概率分析、主余震累积损伤、损伤容限设计和损伤控制、损伤识别和耗能修复加固。

对于识别结构构件层次，以上损伤指标均具有较好的效果，但结构整体失效通常不能只依据某根构件或某层损伤指数判定。对结构整体的性能的判断必须进行地震损伤评估，因此结构整体失效有必要根据构件的损伤情况进行分析。目前，一般通过加权求和计数法推导出评价整体损伤指数的方法，计算简便但权重系数较难选择。国外学者提出了一些权重系数模型，Park等[57]，Chung等[59]，Kunnath等[60]提出取构件耗能指标为权重系数，国内有关学者如杜修力等[61]、吴波等[62]也对如何计算权重系数进行分析，提出了一些计算权重系数的数学模型。

其次，对于保证隔震结构在强烈地震下的安全方面，隔震支座的极限性同样十分关键，但局限于试验条件和试验设备，对隔震支座系列的极限性态和损伤的试验相对较少。Dorfmann等[63]对支座进行力学性能试验，发现支座的强度将随着加载的往复而降低，并依据试验结果提出了考虑空隙的损伤模型。Sato等[64]开展了配置LRB的DFBR的隔震结构振动台试验，对隔震支座的失效模式进行了分析。Yoshida等[65]提出了基于各向同性应变相关性硬化律的弹塑性体和基于损伤模型的超弹性体两部分的高阻尼橡胶的组合模型。加藤秀章等[66]开展了橡胶支座水平双向极限性态试验，通过FEM法模拟扭曲变形和应力应变。Kim[67]提出金属阻尼器考虑温度影响、材料退化的损伤模型并与试验进行了比较。以上研究已开始涉及如何建立隔震或减震元件的损伤模型，因此需进一步完善相应的层间隔震结构的损伤失效准则。

对隔震结构的损伤控制目前国内外主要集中于隔震层的损伤控制，尤其多数集中于基础隔震的隔震层控制。樊剑等[68]研究了摩擦型隔震结构在近断层地震作用下与限位系统相碰撞的动态反应特性，给出了不同碰撞的数学表达式以及各模型中参数的具体数值。韩淼等[69]采用弹簧限位3进行软碰撞限位，利用软件计算近断层地震作用下限位隔震结构的动力响应。赵桂峰等[70]研究了弹塑性缓冲限位与滞变-摩擦并联隔震体系。针对层间隔震结构隔震层的失效控制，国内外较少有这方面的报道。按照远场地震动设计的层间隔震结构一旦遭遇近长周期类谐和地震动，隔震层变形过大易导致隔震支座失效，致使上部结构倾覆失稳。因此，层间隔震结构对隔震层性能及可靠性有更高的要求，长周期类谐和地震作用下隔震层的失效控制显得尤为重要。

4 结 论

(1) 考虑SSI的层间隔震结构，其动力耦合作用机理、响应特征、结构损伤评价及失效控制研究尚不成熟，成为阻碍各国相关设计规范未能给出具体计算方法和条文规定的主要原因。

(2) 已有研究重点分析长周期地震动特性与其作用下高层建筑地震响应，针对远场长周期地震动作用下的隔震结构响应与损伤性能的相关研究仍然较少。

(3) 已有研究成果表明，随着场地土的变软，SSI效应逐级增大整体隔震结构的位移响应。提出了隔震层非线性变刚度软限位的方法，开发非线性变刚度软限位控制系统，并对碰撞参数进行优化设计；提出了隔震层组合隔震方案。从而有效控制了桩-土-层间隔震结构体系的失效。

5 展 望

(1) 针对桩-土-层间隔震结构体系，强震时，桩与土之间将分离、滑移和挤压，影响桩与土之间的动力传递，从而影响上部隔震结构的动力响应。同时，深软土层场地上隔震结构的摇摆效应明显，将导致基础与地基受拉分离，从而加大上部结构的摇摆效应。因此，可进一步对桩-土-层间隔震结构体系的动力耦合作用机理进行研究。

(2) 对于桩-土-层间隔震结构体系，其隔震层处仅有一道“抗震防线”，当其在长周期地震作用下，尤其形成“双共振”效应时，隔震层的局部破坏将引起结构的连续倒塌。可在桩-土-层间隔震结构体系的隔震层设置限位系统或设置消能器，探究组合隔震系统在长周期地震或“双共振”效应下的稳定性。