三维远场长周期地震下层间隔震结构减震性能分析

周旺旺，刘德稳，2，陈李昊，刘 阳，杨 帆

（1.西南林业大学土木工程学院，昆明 650000；2.西南林业大学博士后流动站，昆明 650000；3.同济大学土木工程学院，上海 200123）

层间隔震结构是在基础隔震结构的基础上发展而来的一种新型隔震结构，近年来成为防灾减灾领域的研究热点之一，两种隔震结构的对比如图1所示。

图1 基础隔震结构与层间隔震结构示意图

宋晓等[1]基于Timoshenko理论建立层间隔震连续化分析模型，研究层间隔震结构减震效果随隔震层位置、隔震层刚度、阻尼变化的影响规律。刘彦辉等[2]分别采用刚度非退化和退化的Bouc-Wen模型模拟隔震层及其他楼层的恢复力特性，运用虚拟激励法对层间组合隔震结构进行随机响应分析。张瑞甫等[3]提出采用惯容隔震系统提高能量耗散效率控制地震响应，并以一个标准钢结构模型验证了方法的有效性。崔俊伟等[4-5]针对大底盘层间隔震结构，分别进行了抗震性能分析与结构方案选型及设计。Wang等[6-7]对基础隔震与层间隔震建筑的动力性能差异进行了试验研究。Skandalos等[8]针对层间隔震计算产生的混合整数问题，对求解连续变量问题的元启发算法和无导数算法进行了比较评价。Tsuneki 等[9]指出相对于基础隔震，高层建筑层间隔震结构在中间设置隔震层，上部结构具有较高的抗震能力体系的物理性能。Kim等[10]对某高层建筑结构进行了智能中层隔离控制系统的优化设计，该系统由橡胶轴承和磁流变阻尼器组成，结果表明该方法能有效地减少地震引起的层间和隔震体位移。谭潜等[11]对远场长周期地震动特征进行了分析，分析结果表明，远场长周期地震动具有低幅值、长持时、频谱长周期段幅值较大的特点。颜桂云等[12-13]探讨在远场长周期地震动激励下，对基础隔震结构进行了减震性能分析。目前，层间隔震研究主要集中在普通地震以及少部分的近断层地震研究[14-16]，缺少远场长周期地震动对层间隔震结构影响的相关研究。

以上均为水平向地震下的层间隔震结构响应研究，但实际地震具有多维特性，只考虑水平往往不够真实全面，而且远场长周期地震不同于普通地震，具有长持时、低频成分丰富等特征，可能会对隔震类等周期较大的结构产生不利影响，值得探讨。基于此，本文首先建立大底盘层间隔震结构模型，接着输入六条三维远场长周期地震和三条三维普通地震，然后对结构进行动力弹塑性分析，探讨层间隔震的减震性能。

1 有限元模型建立

1.1 工程概况

某9 层大底盘框架层间隔震结构，上部塔楼长宽均为18 m，下部底盘长宽均为30 m，总高度为34.8 m，下部底盘2 层高4 m，上部塔楼层高均为3.6 m，在底盘与塔楼连接处设置1.6 m的隔震层。设防烈度8 度，设计基本地震加速度值为0.20 g，场地类别Ⅱ类，地震设计分组第二组。底盘柱尺寸为900 mm×900 mm，梁尺寸为350 mm×700 mm；塔楼柱尺寸为700 mm×700 mm，梁尺寸为300 mm×600 mm，柱、梁混凝土强度等级均为C30，钢筋材料纵筋为HRB400，箍筋为HPB300，混凝土保护层厚度为30 mm。大底盘层间隔震结构的3D 图、立面图如图2所示。

图2 大底盘层间隔震结构图

1.2 模型建立

运用有限元软件ETABS 建立大底盘层间隔震结构模型，隔震支座根据总水平屈服力为重力荷载标准值下基底竖向反力的2%来布置，结构角柱隔震支座均使用LRB700 铅芯橡胶隔震支座，边柱使用LRB600 铅芯橡胶隔震支座，其余柱子使用LNR500 橡胶隔震支座，隔震支座布置如图3 所示，隔震支座参数如表1 所示。梁柱采用空间梁柱单元，楼板采用壳单元，隔震支座采用Ⅰsolator 单元，C40 混凝土采用Takeda 滞回类型，HPB300 和HRB400钢筋均采用Kinematic滞回类型。框架柱均采用纤维P-M2-M3 铰，框架梁和连梁两端采用M3铰。

表1 隔震支座产品规格

图3 隔震支座布置图

1.3 地震波选取

从美国太平洋地震中心选取6条台湾集集远场长周期地震，其中三条远场类谐和长周期地震波CHY092、ⅠLA004、TCU006，三条远场非类谐和长周期地震波TTN008、KAU015、TAP012，以及三条普通地震迁安波、上海人工波和天津波，三向地震分量的加速度比值按1:0.85:0.65 比例调整，地震波信息如表2所示，加速度反应谱如图4所示。

图4 加速度反应谱

表2 地震波信息

2 三维地震下层间隔震结构地震响应分析

2.1 结构周期

抗震结构与层间隔震结构周期对比如表3所示。

由表3可知：层间隔震结构前6阶周期均大于抗震结构，最大结构周期由1.338 s 扩大至3.079 s，放大了2.3倍，这是由于层间隔震结构中添加的隔震支座使结构整体变柔，周期延长。

表3 结构周期对比

2.2 三维地震动下结构地震响应分析

将地震峰值调幅至4 m/s2，进行8度罕遇地震动力弹塑性分析，对结构分别输入三条普通地震波，三条远场非类谐和地震波、三条远场类谐和地震波，得出结构的层间位移角对比如图5，基底剪力对比如图6，由对比结果分析层间隔震的减震率，减震率=（抗震结构响应-隔震结构响应）/抗震结构响应。

由图5可知：三维地震激励下，远场长周期的层间位移角远大于普通地震。在三维普通地震、三维远场非类谐和地震、三维远场类谐和地震激励下，层间隔震上部结构平均减震率分别为0.60、0.50、0.43，下部结构平均减震率分别为0.61、0.30、0.26，由此可知，层间隔震上部结构减震性能优于下部结构，在三维普通地震激励下减震性能优于远场长周期地震，这是由于远场长周期中长周期成分的影响，使减震性能降低，远场类谐和地震中的类谐和成分也会使减震性能降低。此外，根据规范[17]要求，隔震结构上部层间位移角限值为0.005，结构下部层间位移角限值为0.004。在三维远场长周期地震激励下，结构层间位移角存在超限问题。

图5 结构层间位移角对比图

由图6可知：三维地震激励下，远场长周期的层间剪力远大于普通地震。在三维普通地震、三维远场非类谐和地震、三维远场类谐和地震激励下，层间隔震上部结构平均减震率分别为0.68、0.67、0.34，下部结构平均减震率分别为0.67、0.65、0.32，由此可知，结构上部减震率略优于下部减震率，层间隔震结构在三维远场类谐和地震作用下减震效果变差。

图6 结构层间剪力对比图

2.3 三维地震下隔震支座位移

三维地震激励下，层间隔震结构的隔震支座位移如表4所示。

由表4可知：根据隔震支座水平位移限值要求，支座位移不超过0.55 倍支座有效直径和3.0 倍橡胶总厚度的最小值，最小值为0.55×700=385 mm。三维地震激励下，远场长周期的支座位移远大于普通地震，其中远场非类谐和地震产生的最大位移为483.2 mm，超过限值的0.25倍；远场类谐和地震产生的最大位移为775.4 mm，超过限值的1.01 倍，将导致隔震支座发生破坏。

表4 隔震支座位移

3 三维隔震支座与传统水平隔震支座地震响应分析对比

层间隔震结构中隔震层支座一旦发生破坏，会引起隔震层减震作用失效，造成更严重的结构破坏。针对出现的结构层间位移角与隔震支座位移超限问题，将传统水平隔震支座替换为三维隔震支座，三维隔震支座分为两部分，上部为竖向隔震部分，下部为水平隔震部分，三维隔震支座构造如图7 所示。水平隔震部分布置相同的LRB700、LRB600 和LNR500 隔震支座，在竖直方向设置碟形弹簧支座，碟形弹簧采用高强度钢材60Si2MnA，材料参数为：弹性模量2.05×105MPa、屈服强度1 500 MPa、切线模量75 MPa和泊松比0.3。并在隔震层处设置黏滞阻尼器配合进行隔震，黏滞阻尼器在ETABS中通过Damping单元进行模拟，该单元可模拟一种无刚度、速度相关型耗能器，其阻尼力公式如下为：

图7 三维隔震支座构造图

式中：Cd为阻尼系数；V为阻尼器速度；α为速度指数。

工程中速度指数一般为0.3～0.6，本文选取速度指数为0.3，黏滞阻尼器的阻尼系数为1 200 kN·s/m。用此三维隔震支座替换传统水平隔震支座，在罕遇地震下进行动力弹塑性分析，与传统水平隔震支座进行减震对比分析。

3.1 结构内力对比

输入三维地震动，取每类地震的包络值，三维隔震支座结构与传统水平隔震支座结构的层间位移角结果对比如图8所示，层间剪力对比如图9所示。

图9 结构层间剪力对比图

由图8可知：在三维地震激励下，三维隔震支座减震性能均优于传统水平隔震支座，普通地震下降低了33%结构响应，远场长周期地震下降低了61%～69%结构响应，产生的上部结构最大层间位移角为0.004 97，下部结构最大层间位移角为0.002 3，均不超过规范限值。

图8 结构层间位移角对比图

由图9可知：在三维地震激励下，三维隔震支座减震性能优于传统水平隔震支座，普通地震下降低了23%结构响应，远场长周期地震下降低了44%～61%结构响应。

3.2 支座位移对比

罕遇地震下，输入三维地震动，传统水平隔震支座结构与三维隔震支座结构的支座位移对比如表5所示。

由表5可知：在三维地震激励下，三维隔震支座产生的位移远小于传统水平隔震支座，支座位移最大值为348.9 mm，不超过支座限值的385 mm，符合要求。

表5 隔震支座位移

3.3 竖向减震能力对比

罕遇地震下，输入三维地震动，取每类地震的包络值，两种不同隔震支座结构对竖向地震力的减震能力对比如表6、表7所示。

由表6、表7 可知：三维隔震支座对结构的最大竖向位移、顶层竖向加速度都有明显降低，竖向支座位移降低了30 %～44 %，顶层竖向加速度降低了65%～72%，分析结果表明，三维隔震支座比传统水平隔震支座具有更好的竖向地震减震性能。

表6 隔震支座对竖向位移的影响

表7 隔震支座对顶层竖向加速度的影响

4 结语

建立了某大底盘层间隔震结构模型，输入三维地震动，进行罕遇地震下动力弹塑性分析。针对三维远场长周期地震下，结构出现的层间位移角与隔震支座位移超限问题，设置三维隔震支座，并与传统水平隔震支座结构进行了地震响应分析对比，得到以下结论：

（1）层间隔震结构在三维远场长周期地震激励下，结构响应远大于三维普通地震，并且出现结构层间位移角与隔震支座位移超限问题，尤其是远场类谐和地震中的类谐和成分对结构会产生更不利影响。

（2）在三维普通地震、三维远场非类谐和地震、三维远场类谐和地震分别激励下，结构层间位移角上下部减震率区间为0.60～0.61、0.30～0.50、0.26～0.43，层间剪力上下部减震率区间为0.67～0.68、0.65～0.67、0.32～0.34，层间隔震在三维普通地震激励下减震效果表现良好，在三维远场长周期地震激励下减震效果变差。

（3）设置三维隔震支座后，层间隔震在三维远场长周期地震下减震效果表现良好，三维隔震支座各项减震性能均优于传统水平隔震支座，并且解决了结构层间位移角与隔震支座超限问题，结构更具安全性，对竖向地震力也表现出良好的减震性能。