近场地震动作用下隔震结构的动力反应分析

杨丹

（广东省建筑设计研究院广东广州　510010）

近场地震动作用下隔震结构的动力反应分析

杨丹

（广东省建筑设计研究院广东广州510010）

为考察不同近场地震动作用下隔震结构的动力反应，基于地震动峰值加速度和峰值速度的比值（PGV/PGA），本文选择四条典型近场地震动记录作为结构地震动输入，利用SAP2000建立一栋6层（高21.6m）的LRB隔震结构，进行非线性动力时程分析。计算结果表明，随着PGV/PGA的不断增大，隔震结构的动力反应也呈增大趋势，铅芯橡胶支座的滞回耗能能力也随之变大。

近场地震；铅芯橡胶支座；隔震结构；动力反应

引言

近年来的几次主要大地震，如日本的Kobe地震、中国台湾的集集地震、美国的Northridge地震和四川的汶川地震等，它们都对建筑物造成严重的破坏，给人类社会带来了巨大的人员伤亡和财产损失，但同时也使人们获得了大量的地震动记录。把这几次地震和其它地震对比，最显著的特点就是具有明显的长周期位移和速度脉冲，会对结构产生较大的位移和变形。研究表明基础隔震在近场地震作用下的减震效果没有远震场地好，隔震装置未能发挥良好的耗能效果。基于地震动峰值加速度和峰值速度的比值（PGV/PGA），本文选取3条集集地震和1条汶川地震的典型近场地震波作为地震动输入，对1幢6层设有铅芯橡胶支座的钢筋混凝土框架结构进行非线性动力时程分析，得到不同近场地震动作用下该隔震结构的地震反应。

1　近场地震动的定义

近场地震动（即近断层地震动），指当震源距较小时，震源辐射地震波中的近场区域的地震动，与中场相比是不能被忽略的[1]。从地震学的角度，近场是指“包含一定比例波长的震源周围的位置”，目前，多数学者认为近场区域为震中距小于20km的区域。迄今为止，近场地震动没有一个统一的定义，多数研究人员认为近场地震动强烈依赖于断层的破裂机制，且包含明显的破裂方向性效应以及永久的地面位移[2]。

近场区域的划分的影响因素有：震级大小，断层的类型、尺度、埋深和破裂过程等。近场地震动与一般的远场地震动相比具有明显不同的性质，主要原因是断层破裂方向与场地的关系、震源机制以及断裂面的相对滑动方向等因素的影响。近场地震动最显著的特点是滑冲效应和方向性效应引起的脉冲型地震动，最为常见的是速度脉冲型地震动，这种速度脉冲型地震动的特点是具有较长的脉冲周期、类似脉冲的波形以及丰富的中长周期分量，地面峰值速度（PGV）与地面峰值加速度（PGA）的比值较大，引起的永久地面位移比较大。

2　隔震支座的简介及分类

2.1隔震支座的简介

20世纪60、70年代开始，人们对隔震支座进行了较系统的研究，逐渐在实际的工程中应用隔震支座，并做了大量的跟踪观察。隔震元件方面的研究，主要表现在两方面：①积极探索新工艺、新方法、新材料研制各种隔震元件；②研究如何将隔震支座应用在工程实际中，并充分考虑各隔震支座的隔震性能和工程造价问题。隔震支座可以作为单独的构件，也可以与其他构件一起组合起来使用。支撑隔震器主要用于承担建筑物上部结构的荷载，减震阻尼器的功能主要是控制隔震支座产生的水平变形，使其不超过规范中额定限值，从而减轻建筑上部结构的晃动，且在地震结束时能够复位。

2.2隔震支座的分类

目前常用的隔震支座分为四类，见图1。

图1　隔震支座类型

3　计算模型及基本参数

3.1计算模型

本文利用SAP2000建立1幢6层的钢筋混凝土框架结构模型，隔震装置采用铅芯橡胶支座（Lead Rubber Bearing，LRB）。钢筋混凝土框架结构的层高均为3.6m，框架柱截面尺寸为0.5m× 0.5m，主梁截面尺寸为0.25m×0.6m，走道梁截面尺寸为0.25m× 0.4m，混凝土板厚度为0.12m，混凝土强度等级为C30。隔震结构在每个柱底放置一个LRB支座，共需要28个。铅芯橡胶支座在非线性动力时程分析中采用双线性滞回单元模拟，其力学性能参数为：屈服后刚度为978kN/m，屈服力为40.9kN，竖向刚度为1700000kN/m，等效水平刚度为1489kN/m，等效阻尼比为22.8%，屈服位移为400mm。

3.2地震波

基于PGV/PGA的取值，本文选取3条集集地震和1条汶川地震的典型近场地震波作为激励，地震动的记录参数见表1。

表1　近断层地震动记录参数特性参数

4　隔震结构的非线性动力时程分析

假设模型抗震设防烈度为Ⅷ度（0.2g），设计地震分组为第一组，为二类场地，输入表1中的各地震动加速度时程进行结构的动力反应分析，分别将地震波的最大幅值调至400gal，相当于Ⅷ度罕遇地震的大小。

表2给出了结构隔震前后的前5阶模态周期，可以看出采用LRB隔震后，隔震结构的周期明显变长，有利于降低上部结构的地震反应。

表2　结构隔震前后的前5阶模态周期

表3给出了四条近断层地震动作用下隔震结构的各层剪力值。图2、图3分别为四条近断层地震动作用下隔震结构的最大层间位移角和各层最大位移，图4为不同近震作用下铅芯橡胶支座的滞回曲线。

图2　不同近震作用下对隔震结构的能量输入

图3　不同近震作用下隔震结构最大层间剪力

图4　不同近震作用下隔震结构的最大层间位移角

图5　不同近震作用下隔震结构各层的最大位移

图6　不同近震作用下铅芯橡胶支座滞回曲线

从图2、图3、图4、图5和图6可以看出，峰值加速度相同的4条近场地震动作用下隔震结构的最大地震反应大小顺序为：TCU052>TCU087>TCU056>51MZQ，而近场地震动TCU052、TCU087、TCU056和51MZQ的PGV/PGA分别为0.456s、0.348s、0.325s和0.161s，说明随着PGV/PGA的增大，隔震结构的地震反应呈上升趋势。在近场地震51MZQ作用下，其地震反应明显小于其它3条近场地震，说明PGV/PGA=0.2s可以作为一个临界值，当PGV/PGA<0.2s时，近场地震对隔震结构的反应不是很明显。

从图6可以看出，随着PGV/PGA的增大，隔震支座承受的输入能越大，消耗的能量也就越多，其滞回面积也就越大。从图5和图6（a）可以看出，近场地震动TCU052作用下隔震结构的隔震层位移最大可达到580mm，远远超过隔震支座的允许水平位移（400mm）。

5　结语

通过对不同近场地震作用下隔震结构的地震反应对比分析，可以看出PGV/PGA是影响隔震结构反应的重要因素，随着PGV/ PGA的增大，隔震结构的地震反应也相应增加且隔震支座也承受更大输入能，消耗更多的能量，滞回面积也变的更大。

[1]俞言祥，高孟谭台湾集集地震近场地震动的上盘效应[J].地震学报，2001，23（6）：615～621.

[2]李爽.近场脉冲型地震动对钢筋混凝土框架结构影响[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005：1～134.

TU352.1+2

A

1673-0038（2015）09-0023-02

2015-2-12

杨丹（1987-），女，硕士研究生，主要从事建筑结构设计工作。