層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

層間隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

地震是由板塊結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起的。這是地殼巖石中長(zhǎng)期積累的變形在一定程度上轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的結(jié)果。地震的破壞力極強(qiáng),人類有史以來就不斷遭受地震災(zāi)害的侵襲,強(qiáng)烈地震不僅造成建筑物的大量破壞,而且還造成人員的重大傷亡。隔震建筑在地震中明顯的隔震減震效果令人驚嘆,使隔震結(jié)構(gòu)在各國(guó)得到廣泛應(yīng)用。目前,隔震技術(shù)的主要應(yīng)用為基礎(chǔ)隔震,即隔震層設(shè)在基礎(chǔ)頂面或地下室底部。層間隔震體系是在基礎(chǔ)隔震體系的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系,隔震層設(shè)在地下室頂部或地面以上的樓層,其振動(dòng)特性同時(shí)受到隔震層以上的上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)的影響。層間隔震結(jié)構(gòu)的研究主要在日本與我國(guó),既往研究多限于隔震層參數(shù)對(duì)地震響應(yīng)及減震效果的影響,而下部減震層間隔震結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究未見進(jìn)行。本文為研究層間隔震結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)附加減震裝置后,對(duì)層間隔震體系地震響應(yīng)及減震效果的影響,進(jìn)行了基礎(chǔ)固接、1層頂層間隔震及下部減震層間隔震模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,并建立了層間隔震結(jié)構(gòu)的有限元模型,將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。1試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕M裝設(shè)計(jì)一個(gè)4層的鋼框架模型,該鋼框架由1個(gè)1層模型(有柱腳拉梁)、1個(gè)1層模型(無柱腳拉梁)、1個(gè)2層模型(無柱腳拉梁)構(gòu)成。組裝后的鋼框架為四層模型,平面尺寸為1.0m×1.6m,層高為1.0m,梁、柱截面尺寸HW100mm×100mm×6mm×8mm,樓板采用12mm厚的鋼樓板,該模型X向(短邊方向)高寬比為4。通過這三個(gè)模型的組裝進(jìn)行基礎(chǔ)固接、1層頂隔震以及下部減震層間隔震(1層頂隔震后,在1層用人字撐水平向附加黏滯阻尼器)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。采用4個(gè)直徑為90mm的鉛芯橡膠支座(LRB90)構(gòu)成隔震層,鉛芯直徑為15mm;橡膠的剪切彈性模量為0.392MPa,內(nèi)部橡膠層厚度為1.2mm,15層;實(shí)測(cè)的豎向剛度Kv,屈服后剛度Kd,屈服力Qd的平均值分別為192.7kN/mm,0.153kN/mm,1.196kN(4個(gè)LRB90平均)。下部減震采用2個(gè)黏滯阻尼器,黏滯阻尼系數(shù)C=5900(N/(m·s-1)α),指數(shù)α為0.3,實(shí)測(cè)的阻尼力與設(shè)計(jì)阻尼平均絕對(duì)誤差為6.2%(測(cè)試速度17~75mm/s)。表1為模型與原型的相似關(guān)系,圖1至圖3為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)的模型。模型結(jié)構(gòu)自重為2465kg,根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的承載能力,取模型各層配重為2420kg,模型配重共5層,其中4層采用混凝土塊,1層為隔震層配重,由于隔震層高度限制,隔震層配重采用鉛塊,下部減震模型所用支撐為人字撐,截面尺寸為HW125mm×125mm×6.5mm×9mm,高度為790mm,沿模型短邊方向布置。2振動(dòng)器試驗(yàn)2.1加速度和位移監(jiān)測(cè)輸入地震波為ElCentroNS波、TaftEW波及兩條與抗震規(guī)范加速度反應(yīng)譜相吻合的人工波(場(chǎng)地特征周期為0.4s),輸入加速度峰值為0.2g(8度設(shè)防烈度地震)及0.408g(8度罕遇烈度地震),輸入方向?yàn)閄向。共使用12個(gè)丹麥產(chǎn)傳感器測(cè)定加速度和位移,加速度和位移各為6個(gè),布置在各層的中心點(diǎn)。在隔震模型試驗(yàn)時(shí),在隔震層布置了2個(gè)激光傳感器(分別沿X向布置在模型的對(duì)角點(diǎn)),用于測(cè)定X向隔震層層間位移,采用4個(gè)日本產(chǎn)三維力傳感器,測(cè)定隔震支座在地震作用下的三向力變化情況。2.2結(jié)構(gòu)模型及振動(dòng)表2為白噪聲輸入時(shí)(0.05g,0.1~40Hz),基礎(chǔ)固接、1層頂層間隔震及下部減震層間隔震模型的前三階周期,隔震前原型結(jié)構(gòu)的周期為1.143s,實(shí)測(cè)基礎(chǔ)固接模型阻尼比為1.96%。1層頂隔震模型及下部減震的前三階振動(dòng)主要為上部結(jié)構(gòu)平動(dòng)(此處所指上部結(jié)構(gòu)不包含隔震層)、上部結(jié)構(gòu)1階振動(dòng)、下部結(jié)構(gòu)1階振動(dòng);下部減震實(shí)測(cè)的周期比1層頂層間隔震模型周期偏短,但變化不大,表明所采用的人字撐及黏滯阻尼串聯(lián)后形成的附加體系,對(duì)下部結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)不大,阻尼器連接件之間的間隙是影響因素之一。2.3自功率譜的特性分析8度中、大震輸入時(shí),基礎(chǔ)固接模型、1層頂隔震模型及下部減震層間隔震模型加速度反應(yīng)的最大值見圖4(為方便對(duì)比,隔震模型未標(biāo)注隔震層加速度)。ElCentro波中、大震時(shí),與1層頂層間隔震模型相比,下部減震層間隔震模型的加速度出現(xiàn)一定程度的放大,圖5為1層頂層間隔震模型與下部減震層間模型在ElCentro波中、大震輸入時(shí)臺(tái)面波的自功率譜比較,從圖5可以看出,振動(dòng)臺(tái)輸入的ElCentro波在11.625Hz處,有一主頻,這與白噪聲掃頻得到的下部結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率幾乎一致,而下部減震層間隔震模型在ElCentro波輸入時(shí),輸入失真,造成結(jié)構(gòu)響應(yīng)放大,與1層頂層間隔震模型數(shù)據(jù)不具可比性。為進(jìn)一步說明此問題,分別用ElCentro天然波、1層頂層間隔震模型及下部減震層間隔震模型的ElCentro波輸入時(shí)的臺(tái)面波,對(duì)這兩個(gè)模型進(jìn)行了加速度反應(yīng)的有限元對(duì)比計(jì)算,最大加速度反應(yīng)見表3。由表3可見,1層頂層間隔震模型的臺(tái)面波與ElCentro天然波的計(jì)算結(jié)果上、下部結(jié)構(gòu)響應(yīng)整體一致性接近,誤差較小;臺(tái)面波及ElCentro天然波輸入,下部減震模型的加速度響應(yīng)均小于1層頂層間隔震模型;下部減震模型的臺(tái)面波與其它兩條波的加速度反應(yīng)相比,均出現(xiàn)放大現(xiàn)象。表4為隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)頂層、下部結(jié)構(gòu)頂層的加速度減震效果,表中括號(hào)內(nèi)為不包括ElCentro波的其余3條波平均結(jié)果?？梢?1層頂層間隔震后,上、下部結(jié)構(gòu)頂層的加速度分別降為基礎(chǔ)固接的40%、90%左右,下部減震后上、下部結(jié)構(gòu)頂層的加速度均進(jìn)一步降低。2.4度大震輸入時(shí)8度中震輸入時(shí),基礎(chǔ)固接模型最大層間位移角為1/168,1層頂隔震模型最大層間位移角為1/406,下部減震后最大層間位移角為1/466。8度大震輸入時(shí),基礎(chǔ)固接模型最大層間位移角為1/97,1層頂隔震模型最大層間位移角為1/190,下部減震后最大層間位移角為1/237。表5為平均后1層頂層間隔震及下部減震的最大層間位移角(不包括隔震層),表6為隔震層最大層間位移,表中括號(hào)內(nèi)為不包括ElCentro波的三條波平均?？梢?下部減震后在1層頂隔震的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了層間位移反應(yīng)。2.5不同層頂識(shí)別模型的剪力系數(shù)8度中、大震輸入時(shí),隔震模型與基礎(chǔ)固接模型的層剪力系數(shù)的比值見表7,1層頂隔震及下部減震層間隔震模型的隔震層剪力系數(shù)見表8,基底剪力系數(shù)見表9?？梢?下部減震后進(jìn)一步降低了層剪力系數(shù)。3有限元分析和試驗(yàn)的樓內(nèi)加速度分布采用SAP2000對(duì)1層頂隔震及下部減震層間隔震模型進(jìn)行有限元分析,采用8度大震Taft波和人工波1輸入時(shí)臺(tái)面響應(yīng)的值作為輸入波,表10為有限元分析和試驗(yàn)的樓層最大加速度反應(yīng)對(duì)比,表11為有限元分析和試驗(yàn)的隔震層最大層間位移對(duì)比。由表10可見加速度峰值有較好的近似,實(shí)測(cè)加速度偏大,誤差基本在25%以內(nèi)。由表11可見隔震層最大層間位移誤差較小。圖6為8度大震人工波1輸入時(shí),有限元分析及試驗(yàn)實(shí)測(cè)的上、下部結(jié)構(gòu)的頂層加速度時(shí)程及隔震層層間位移時(shí)程對(duì)比。4試驗(yàn)結(jié)論與分析本文對(duì)層間隔震及下部減震層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,進(jìn)行了層間隔震模型結(jié)構(gòu)的有