主-余震作用下框架-核心筒错层隔震结构地震响应分析

武倩倩, 刘德稳, 赵甜鸽, 郑艳萍, 张 远, 雷 敏

(1. 西南林业大学 土木工程学院, 云南 昆明 650000; 2. 西南交通大学 土木工程学院, 四川 成都 610000)

0 引言

新型错层隔震结构是由基础隔震结构和层间隔震结构发展而来的一种新型结构,三种结构对比如图1所示。因其灵活的隔震布置方式,已经在工程中得到应用。内蒙古包头华发新天地项目是新型错层隔震结构的代表性工程,其核心筒隔震层在核心筒底部,框架隔震层设置在框架第3层[1]。海口美兰机场T2航站楼[2]是我国首个规模最大的错层隔震结构建筑。张亚飞等[3-4]对新型错层隔震结构进行损伤分析,发现该结构具有良好的减震性能且损伤较小。

图1 三种结构示意图Fig.1 Schematic diagram of three structures

大量震害资料表明,当地震发生时可能会伴随着多次余震发生,余震对结构带来的损伤是不容被忽视的。通常情况下,主震和余震间隔时间较短,余震的震级要比主震震级小。如1999年发生在我国台湾的集集地震[5],在7.6级主震过后,5.8级以上的强余震达5次之多;2008年发生在我国四川的汶川地震[6],在8.0级主震过后,便发生5次6.0级以上的强余震。2014 年在智利北部[7]发生8.2级主震,随后发生了7.6 级强余震。国内较早开展主-余震作用下地震动对结构影响的是吴开统[8],阐述了余震及强余震的危害以及余震发生导致震区再次遭到破坏。刘洁亚等[9]分析了主-余震序列地震动下基础隔震结构的损伤,余震会导致结构损伤更加明显。Ruilong Han等[10]通过基础隔震结构地震风险的研究,发现主-余震作用下的地震风险会导致更高程度的破坏。对于结构在主-余震地震动下的倒塌分析,余震会增加结构的倒塌概率[11]。束伟农等[12]通过弹塑性分析发现,结构在高烈度地区采用层间隔震技术可有效保证结构的抗震性能。周福霖等[13]通过对层间隔震结构的参数优化发现,隔震层位置越低,上部结构的减震效果越明显。刘钧付等[14]通过层间隔震技术发现,对于大底盘多塔结构整体减震效果良好,可以大幅减小地震反应,有效提高结构抗震性能。于晓辉等[15]利用余震易损性分析方法发现,伴随着主震损伤提高,余震发生更严重破坏的概率也显著提高。杨佑发等[16]利用增量动力分析方法,在Park-Ang损伤指数和地震动强度等参数下分析了山地掉层结构在主-余震作用下的损伤程度。温卫平[17]研究了主-余震序列下单自由度体系后,发现余震继续作用下结构的滞回耗能较单独主震作用时有所增加。王海东等[18-20]通过最大层间位移角、最大残余层间位移角、顶点位移等来体现主-余震作用下对结构的影响。强烈主震发生后结构会产生一定的损伤,再经历强余震后会导致结构产生更严重的损伤累积,震害会进一步加深。

目前规范对建筑进行抗震设计基本上采用单一主震,未充分考虑余震地震动对结构产生的累积损伤影响。对于主-余震作用下新型错层隔震结构的地震响应分析,尚未见研究成果。基于此,本文建立了新型错层隔震结构模型,研究在主-余震作用下结构的层间位移、支座滞回耗能、结构损伤等情况。

1 结构建模

1.1 工程概况

某24层框架-核心筒新型错层隔震结构,底层层高为4.5 m,标准层层高为3.6 m,总高度为83.3 m,建筑平面尺寸为29.4 m×26.4 m,高宽比为3.1。该建筑抗震设防烈度为Ⅷ度,抗震设计分组为第二组,场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.40 s,阻尼比0.05,最大影响系数0.45,折减周期为0.85,设计基本地震加速度为 0.2g。结构的核心筒隔震层位于结构的最底层,框架隔震层位于框架结构的8～9层之间,隔震层层高为1.6 m,该结构抗震设计满足《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[21]。柱和梁的混凝土强度等级均为 C40,钢筋材料均为HRB400,混凝土保护层厚度为30 mm,梁的保护层厚度均为50 mm。新型错层隔震结构的立面图和平面图如图2所示,柱、梁截面信息如表1所列。

图2 新型错层隔震结构图Fig.2 New staggered story isolation structure diagram

表1 结构基本参数

1.2 建模信息

本文运用有限元软件ETABS建立高层新型错层隔震结构模型,约束边缘构件剪力墙采用分层壳模拟核心筒底部加强区,设置在核心筒底部两层,厚度为250 mm,非底部加强区采用弹性薄壳单元进行模拟。框架单元与分层壳单元之间设有埋设梁,埋设梁X方向的抗剪刚度和绕Y轴方向的抗弯刚度进行放大。在弹塑性工况的定义中设置P-Δ效应几何非线性来迭代计算。C40混凝土采用Takeda单元,HRB400钢筋均采用Kinematic单元,混凝土材料应力应变曲线如图3所示。框架柱均采用纤维P-M2-M3铰,框架梁和连梁两端采用M3铰。

图3 混凝土应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of concrete

铅芯橡胶支座(Lead Rubber Bearing,LRB)采用非线性连接单元Rubber Isolator模拟,结构分析采用直接积分法计算模型。隔震支座的参数如表2所列,隔震支座位置分布如图4所示。

表2 隔震支座参数Table 2 Parameters of isolated bearings

图4 隔震支座布置图Fig.4 Isolated bearings layout

2 主-余震地震动的选取

选取的地震动可分为天然地震动与人工构造地震动,真实地震序列可以从太平洋地震工程研究中心根据规范反应谱等标准进行挑选。挑选了5组真实主-余震地震动,主-余震地震动的挑选原则包括:(1)同一序列下的主震和余震来自于同一台站;(2)一次主震后所记录的多次余震中,选取强度最大的余震;(3)所选择的地震波中主震PGA>余震PGA。所选择的主-余震地震动序列信息如表3所列。

表3 主-余震地震动序列详细信息Table 3 Detailed information of the mainshock-aftershock ground motion sequences

在对结构非线性分析时,将主震和余震记录组成地震动序列,在主震与余震中间加入一段时间间隔[22],以确保结构在主震损伤后经过足够长时间的自由振动恢复到新的平衡状态,有利于地震响应达到更好效果。衰减法[23]是根据主震与余震强度统计关系和衰减模型预测挑选余震记录。本文是选取主震和余震之间60 s的时间间隔相连接[23],作为一条地震动输入进行计算,并且对主震PGA统一调整为0.4g,并且相应地将余震幅值进行一定比例调整。主-余震作用下地震动组合方式如图5所示。主-余震加速度时程反应谱如图6所示。

图5 主-余震序列的构造Fig.5 Construction of mainshock-aftershock sequences

图6 主-余震加速度反应谱Fig.6 Acceleration response spectrum of mainshock- aftershock sequences

3 主-余震作用下结构响应分析

3.1 结构周期

抗震结构与新型错层隔震隔结构的前三阶模态周期对比如表4所列,可知新型错层隔震结构的周期明显延长,有利于降低结构的地震响应。

表4 前三阶模态周期

3.2 层间位移

对结构进行Ⅷ度罕遇地震下的非线性分析,提取结构的层间位移如图7所示。新型错层隔震结构的核心筒在框架隔震层以下部分与框架分离,框架隔震层以上部分与框架成一整体,因此框架隔震层以下部分的层间位移比框架隔震层以上部分的层间位移变化大。由图7可知,在单独主震和主-余震作用下,结构层间位移主要集中在框架隔震层以下几层以及框架隔震层和核心筒隔震层。在框架隔震层以下结构的层间位移大于框架隔震层以上结构的层间位移。框架隔震层以下结构的框架层间位移大于核心筒层间位移。新型错层隔震结构的框架隔震层位移大于核心筒隔震层位移。主-余震作用下结构隔震层位移变形比非隔震层位移变形明显。

新型错层隔震结构布置了核心筒隔震层和框架隔震层,在单独主震和主-余震作用下隔震层位移对比如图8所示。

图7 层间位移对比图Fig.7 Comparison diagram between story drifts

图8 主-余震作用下结构的隔震层位移Fig.8 Isolated layer displacement of structure under mainshock-aftershock sequences

由图8可知:对比单独主震作用下,框架隔震层在主-余震作用下位移增加78.70%,核心筒隔震层在下主-余震作用下隔震层位移增加60.54%。结构的最大层间位移主要发生在隔震层,隔震支座起到较好的隔震效果。一般余震的震级比单独主震震级要小,余震给结构带来的伤害更为严重,应注意余震对结构影响。

3.3 隔震支座承载力及变形验算

通过地震时程分析,罕遇地震作用下隔震支座承载力的验算,计算结果取5组地震动的最大值,隔震支座的应力及最大水平变形结果如表5所列。

表5 隔震支座的应力及变形Table 5 Stress and deformation of isolated bearings

根据抗震规定要求,隔震支座的竖向压应力不应大于30 MPa,拉应力不应大于1 MPa。隔震支座最大水平变形不应超过橡胶支座800 mm,直径的 0.55倍和橡胶层总厚度3倍二者的较小值。经过分析,单独主震作用下隔震支座最大压应力为19.78 MPa,支座最大拉应力为0.75 MPa;主-余震作用下隔震支座最大压应力为19.99 MPa,支座最大拉应力为0.79 MPa,隔震支座在主-余震作用下最大水平变形为 395 mm,均满足规范要求。

3.4 主-余震作用下结构内力损伤对比

以Imperial Valley地震波为例,结构在主-余震地震作用下结构核心筒的应力损伤如图9所示,框架塑性铰如图10所示。由图可知:在单独主震和主-余震作用下,核心筒的损伤主要集中在框架隔震层和核心筒隔震层之间,框架隔震层以下的核心筒损伤较上层结构严重,框架的塑性铰集中在框架隔震层以下部分。在主-余震作用下,框架隔震层以上结构、框架隔震层以下结构以及核心筒比单独主震作用下损伤都有所增加,分别增加8%、10%、19.80%。在主-余震作用下结构的损伤比单独主震作用下损伤更加严重,故不能忽视余震给结构带来的危害。

图9 地震动作用下核心筒损伤(单位:MPa)Fig.9 Damage of core tube under ground motion (Unit:MPa)

新型错层隔震结构的框架隔震层角柱隔震支座和核心筒隔震层角部隔震支座的滞回曲线如图11所示,由图可知:与框架柱相连接的角柱隔震支座滞回曲线状态非常饱满,不管支座是在单独主震作用下还是主-余震作用下耗能效果均较好,且具有较好的抗震性能和耗能能力;而与核心筒相连接的角部隔震支座滞回曲线饱满程度较框架隔震支座差,耗能效果一般,但也能吸收一定量的地震能量。主-余震作用下框架和核心筒的隔震支座滞回曲线比单独主震作用下隔震支座的滞回曲线饱满。框架柱支座下的耗能曲线面积比核心筒支座耗能曲线面积大,因此与框架柱相连接的支座耗能比剪力墙下隔震支座耗能性能好。

4 总结

本文建立了有限元模型进行时程分析,研究了新型错层隔震结构在主-余震作用下的层间位移、结构应力损伤以及隔震支座的滞回耗能情况。得出以下结论:

(1) 在单独主震和主-余震作用下,新型错层隔震结构核心筒的损伤主要集中在框架隔震层和核心筒隔震层之间,框架的塑性铰集中在框架隔震层以下部分,框架隔震层角柱支座的滞回曲线饱满且比核心筒隔震层支座耗能好。

图10 地震动作用下框架塑性铰(B表示立即使用;C表示生命安全;E表示防止倒塌)Fig.10 Plastic hinge of frame under ground motion (B: immediate occupancy;C: life safety;E: collapse prevention)

图11 隔震支座的滞回曲线Fig.11 Hysteretic curve of isolated bearings

(2) 在主-余震作用下,框架隔震层的以上框架部分和以下框架部分以及核心筒的损伤比单独主震作用下损伤分别增加8%、10%和19.80%。

(3) 在主-余震作用下,结构隔震层的最大层间位移均集中在框架隔震层,框架隔震层和核心筒隔震层的层间位移比单独主震作用下分别增加78.70%、60.54%。