近场脉冲型强震下基础隔震结构的非线性反应与限位分析*（建筑）

近场脉冲型强震下基础隔震结构的非线性反应与限位分析*（建筑）

              颜桂云^1,2，  项  洪¹，  张  铮¹，  陈盛富¹，  何梦超¹

    （1福建工程学院土木工程学院，福州350118；2湖南大学土木工程学院，长沙410082）

[摘要]  近场地震动是具有长周期、短持时、高能量的速度脉冲运动，其对基础隔震的减震性能产生不利影响。建立一幢10层钢筋混凝土框架基础隔震的有限元模型，分析其在近场脉冲型强震与常规强震作用下的非线性反应，探讨速度脉冲对层间弹塑性位移、层间剪力、隔震层变形及隔震结构塑性铰分布的影响。提出在隔震层增设黏滞阻尼器，形成混合隔震方案，分析其对隔震层的限位保护效果及其对隔震结构非线性反应的减震效果。结果表明：

基础隔震在速度脉冲近场强震作用下的非线性反应较常规强震显著增大；隔震层最大变形显著增加，远超过了隔震支座容许变形值。考虑近场影响系数不能有效反映长周期速度脉冲对隔震结构的不利影响。混合隔震能有效控制隔震层上部结构的非线性反应与隔震层最大变形，避免隔震支座破坏而导致上部结构倾覆失稳。

[关键词]  基础隔震；近场地震；混合隔震；非线性反应；隔震层限位

中图分类号：TU352.1  文章编号：1002-848X( 2016) 11-0096-06

0  概述

    我国一些重要的城市，如成都、乌鲁木齐、兰州和西宁等都处在地震动的近场范围内，近场地震动作为近年来倍受工程界关注的地震类型，与远场地震动有着显著不同的特点，表现出了强方向性、明显的长周期速度和位移脉冲、大的速度峰值与加速度峰值的比值( PG V/PGA)以及较大的峰值加速度等特点。目前，已有一些学者进行了近场脉冲型地震作用下基础隔震结构地震响应的研究。叶昆等对LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的动力响应进行了分析。杜永峰等进行了近断层地震作用下隔震结构基底碰撞响应分析及倾覆倒塌模拟。贺秋梅等对近断层速度脉冲型地震动作用下基础隔震建筑位移反应进行了分析。韩

淼等分析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。宋廷苏等分析了速度脉

冲型地震动对隔震结构减震系数的影响。研究表明，在近场脉冲型地震作用下基础隔震结构表现出与常规地震（远场或近场非脉冲地震）作用下明显不同的特点。由于长周期脉冲的影响，放大了隔震结构的位移响应与隔震层变形。然而，已有研究多局限于基础隔震上部结构的弹性反应分析。在近场脉冲型强震作用下，不仅隔震层会进入非线性，隔震层上部结构也会产生弹塑性变形，其非线性地震反应的减震性能尚不清楚。

    此外，目前的隔震结构基本按照远场地震动设计，采用近场影响系数考虑近场效应，其能否合理考虑近场长周期脉冲运动对隔震结构的不利影响仍值得探讨。按照远场地震动设计的基础隔震结构一旦遭遇近场脉冲型地震动，易导致隔震层变形超过设计变形限值，造成隔震支座破坏，导致隔震层上部结构倾覆失稳。

    本文通过一幢10层钢筋混凝土框架基础隔震的有限元模型，对比分析其在近场脉冲型强震下与在常规强震下的非线性减震性能，探讨采用近场影响系数考虑近场效应的分析方法。提出在隔震层增设黏滞阻尼器形成混合隔震控制，分析其对近场强震作用下基础隔震结构的非线性减震效果及隔震层的限位保护效果。

1  近场地震动的特征

    近场地震一般指距离地震断层不超过20km场地上的地面运动。与远场地震相比，近场地震具有明显的脉冲特性，主要表现为速度脉冲和加速度脉冲。其中速度脉冲最为普遍，这种脉冲型地震波的显著特点是含有明显的速度脉冲波形、较长的脉冲周期和丰富的低频成分。L oh C H等指出峰值地面速度与峰值地面加速度之比（PGV/PGA）是识别近场脉冲效应的主要特征，PGV/PGA>0.2s时，近场脉冲对结构的效应明显。

    本文从美国太平洋地震工程研究中心强震数据库选取5条近场脉冲型地震波、4条常规地震波，各地震波信息如表1所示。在随后进行的分析中，将表1中的峰值加速度调整为400cm/s²，相当于基本烈度为8度时罕遇地震。

 

    图1为近场脉冲型地震波HE06230的速度、加速度时程曲线，由图可知该地震波具有明显的长周期速度脉冲。基础隔震系统虽然能够保护结构不受高频和高峰值加速度的破坏，但长周期速度脉冲会增加隔震结构的响应，使得传统的隔震结构设计出现困难。   

2  工程概况与模型建立

    某一幢10层钢筋混凝土框架结构，总高度31m，总宽度18m。1层层高为4m，2～10层层高为3m。1~5层柱截面为0.75m×0.80m，6~10层柱截面为0. 70m×0.75m;1~6层框架梁截面为0. 30m×0.70m，7~10层框架梁截面为0.30m×0. 60m;楼板厚均为120mm。柱混凝土强度等级为C40，梁混凝土强度等级为C35，楼板为C30。设防烈度为8度，设计分组为第二组，设计地震加速度为0. 2g，场地土类别为Ⅱ类。对该模型结构进行基础隔震，采用铅芯橡胶隔震支座( LRB)，支座的主要性能详见表2。利用MIDAS/Gen建立基础隔震有限元模型，如图2所示。抗震结构第1自振周期为1.09s，隔震结构第1自振周期为2.76s。

 

    梁柱塑性铰采用集中型铰模型，铰的滞回模型采用由屈服强度和屈服刚度折减率定义，采用修正武田三折线滞回模型( Modified Takeda Trilinear)。在框架梁端与框架柱端考虑集中塑性铰。对抗震结构、基础隔震结构与混合隔震结构进行在不同地震波作用下的弹塑性动力分析。

3  强震作用下基础隔震结构的地震反应分析

3.1常规强震作用下基础隔震结构的地震反应分析

    图3为常规强震作用下抗震结构与基础隔震结构的反应。该图表明，基础隔震结构各楼层峰值层间弹塑性位移角与峰值层间剪力有明显减小。其中

 

3.2近场脉冲型强震作用下基础隔震结构的地震反应分析

    图4为近场脉冲型强震作用下抗震结构与基础隔震结构的反应。该图表明，基础隔震结构各楼层的峰值层间位移角与峰值层间剪力减震效果不明

 

隔震对近场脉冲型强震作用下的隔震效果甚微，甚至对结构抗震性能更加不利。

 

    图5为一榀横向框架结构在Taft地震波与HE04230地震波作用下抗震、基础隔震的塑性铰分布。该图表明，在常规强震Taft地震波作用下，抗震结构产生了大量的梁端塑性铰，但基础隔震结构的梁端塑性铰大量减少，隔震效果明显，也间接说明了图3(a)峰值弹塑性层间位移角减震结果。图5还表明，近场脉冲型强震HE04230波作用下，由于速度脉冲的影响，相比抗震结构的塑性铰数量，基础隔震结构的塑性铰数量减小并不明显。

 

3.3考虑近场影响系数的强震作用下结构地震反应分析

    目前的隔震结构基本按照远场地震动设计，采用近场影响系数考虑近场效应，当隔震结构处于发震断层10km以内时，输入地震波应考虑近场影响系数，5km以内宜取1.5，5km以外可取不小于1. 25。图6为考虑近场影响系数1.5的常规强震与近场脉冲型强震作用下基础隔震结构反应。该图表明，考虑近场影响系数1.5的常规地震波作用下隔震结构的峰值弹塑性层间位移角与峰值层间剪力均明显小于与近场脉冲型地震波作用下相应的值。

    

表3为不同地震波作用下隔震层最大位移与隔震层最大剪力对比。在常规强震与考虑1.5倍近场影响系数地震波作用下，隔震层最大变形小于隔震支座容许变形值385mm。而在近场脉冲型强震作用下，由于速度脉冲的影响，隔震层最大变形较非脉冲型显著增大；隔震层最大变形超越隔震支座的容许变形，最大值达605mm，导致隔震支座发生破坏。同时，相比近场脉冲型地震波，考虑近场影响系数地震波作用下隔震层最大剪力为前者的47%~64%，表明考虑近场影响系数设计的隔震支座的支墩、连接件等处于不安全状态。因此，按常规强震考虑近场影响系数不能替代近场脉冲型强震，其原因主要在于近场影响系数仅考虑了地震波幅值的放大，而不能考虑近场脉冲的长周期频谱成分。

 

4  基础混合隔震控制

    前文分析表明，按常规强震考虑近场影响系数不能有效考虑近场脉冲型强震。在近场脉冲型强震作用下，基础隔震的隔震层变形显著增大，易导致隔震支座破坏，产生结构倾覆倒塌。因此，提出在隔震层增设黏滞阻尼器形成基础混合隔震，控制隔震层变形在隔震支座容许变形值范围内，保护隔震层免受破坏。

    黏滞阻尼器是一种无刚度、速度相关型耗能器，其阻尼力可表达为：  

 

    本文采用4个黏滞阻尼器．在隔震层两侧对称布置。阻尼系数C _d为1.5×10³kN．s/m，速度指数a为0.5，分析在远场地震波HDLT352，Taft以及近场地震波HE05230，HE04230作用下基础混合隔震的减震性能与限位效果。

 

4.1常规强震作用下结构的反应分析

    图7，8分别为HDLT352，Taft地震波作用下结构反应。由图可知，与抗震结构相比较，混合隔震能起到有效的减震作用。混合隔震与基础隔震两者对结构的峰值层间剪力与峰值弹塑性层间位移角的减震效果相差不大。

4.2近场脉冲型强震作用下结构的反应分析

    图9，10分别为HE04230，HE05230地震波作用下结构反应。由图9可知，混合隔震结构各楼层的峰值弹塑性层间位移角与峰值层间剪力比抗震结构最大值为0. 67，结构抗震性能得到明显改善；而基础隔震结构不能起到有效的减震效果。图10也体现出类似的规律。因此，在近场脉冲型强震作用下，混合隔震相比基础隔震有更明显的隔震效果。

 

    表4为基础隔震结构与混合隔震结构在不同地震波及考虑近场影响系数地震波作用下隔震层的反应对比。相比基础隔震，混合隔震能有效减小隔震层的最大变形与隔震层的层间剪力，使得隔震层最大变形小于隔震支座容许变形值385mm，保护隔震支座免遭破坏。同时，较低的隔震层剪力有利于隔震支座的支墩、连接件等的设计。

 

4.3阻尼器参数优化分析

    阻尼系数C _d和速度指数a是黏滞阻尼器的两个参数。本文选取HEDA270，HE04230地震波作用下的基础混合隔震结构，对阻尼器进行参数优化分析。由表5可知，对应于不同的近场地震波，随着阻尼系数C _d的增加，隔震层最大变形减小，表明混合隔震能有效控制隔震层的变形，使其满足隔震支座的最大允许变形要求。

 

    图11为HE04230地震波作用下阻尼系数C _d对混合隔震上部结构地震反应的影响。由图11可知，混合隔震结构的峰值弹塑性层间位移角随着阻尼系数C _d增大而增大的规律较明显，而对各楼层峰值层间剪力的影响相对不明显。因此，应选择合适的阻尼系数C _d，控制隔震层最大变形在允许范围内且使得弹塑性层间位移角有较好的减震效果。

    

此外，表5还说明，随着速度指数a的增加，隔震层最大变形逐渐增大。图12可知，速度指数a对结构各楼层的峰值层间剪力的影响并不明显；而结构下部各楼层峰值弹塑性层间位移角随着速度指数a的增大而减小，当a>0.5时，黏滞阻尼器的减震效果相对较好。非线性黏滞阻尼器的速度指数a一般为0.2~0. 55，考虑到厂家的实际生产情况，建议a值取0.4~0.5。

 

    因此，应综合考虑阻尼系数C _d与速度指数a对隔震层变形与上部结构反应的影响，选择合适的阻尼系数C _d与速度指数a。

5  结论

    本文分析了近场脉冲型强震作用下基础隔震结构的非线性反应及在隔震层附设黏滞阻尼器进行隔震层限位保护，得出如下结论：

    (1)在近场脉冲型强震作用下，LRB基础隔震框架结构的各楼层峰值弹塑性层间位移角、峰值层间剪力及隔震层最大变形较非脉冲型地震有显著增大；与抗震结构相比，基础隔震的减震效果并不明显，甚至产生放大效应。隔震层最大变形超越LRB支座的容许变形值，将导致隔震层破坏，因此，单纯的LRB基础隔震将不适用于近场地区框架结构的隔震设计。

    (2)在隔震层增设黏滞阻尼器形成的基础混合隔震，可有效地控制隔震层与上部结构的弹塑性地震响应，尤其可显著降低隔震层的最大变形，对隔震层进行限位保护，防止LRB隔震支座破坏而导致隔震层上部结构倾覆失稳。由于阻尼系数C _d、速度指数a对隔震层最大变形与上部结构弹塑性层间位移反应的影响规律不同，因此，应选择合适的阻尼系数C _d与速度指数a，使得隔震层变形在允许的范围内。同时，较好地控制各楼层弹塑性层间位移的减震效果。

    (3)采用近场影响系数考虑近场效应的设计方法，不能合理考虑近场长周期脉冲运动对隔震结构的不利影响。按照远场地震动设计的基础隔震结构，一旦遭遇近场脉冲型强震，易导致隔震层变形超过设计变形限值，造成隔震支座失效。