长周期地震动下考虑SSI效应三种地基的层间隔震结构试验分析

吴应雄，胡贤忠，唐贞云，邱灿星，许燕芳，巫生华，吴炳添，章才富

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108； 2.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350100；3.北京工业大学，北京 100124； 4.福建省森正建设集团有限公司，福建 厦门 361000；5. 至永建设集团有限公司，福建 福州 350000； 6.中城投集团第八工程局有限公司，福建 厦门 361000；7.中建四海建设开发有限公司，福建 厦门361000)

大底盘上塔楼建筑中利用层间隔震技术可以通过消耗地震能量的方式缓解刚度突变处的复杂内力问题[1]。远场类谐和地震动低频成分丰富、卓越周期较长且脉冲特性显著[2]，极易与自振周期较长的建筑结构产生共振反应。

当前大多数学者是基于刚性地基假定建立隔震结构理论分析和抗震设计，对土-结构动力相互作用效应(简称SSI效应)的考虑不充分[3-4]。基于刚性地基假定设计的隔震结构在实际土层中减震效果良好，但考虑土-结构相互作用(SSI效应)后减震效果不佳[5]。Luco[6]研究了隔震结构在基于SSI效应考虑后对结构动力特性产生的影响规律，指出SSI效应使结构位移和剪力比刚性地基下相对增大。于旭等[7]、李昌平等[8]开展了刚性、软土地基上基础隔震结构振动台试验研究，明确了随着软土地基上的结构体系阻尼增加，隔震结构在考虑SSI效应后其减震效果降低明显。许立英等[9]开展了长周期地震动下刚性、软土地基上基础隔震结构双向振动台试验，结果表明，在远场类谐和地震动作用下SSI效应对隔震结构响应的影响更大，进行结构设计前应充分考虑SSI效应。

当前研究基本是围绕土-基础隔震结构而进行开展，针对层间隔震体系的研究较少；地基通常为刚性或者均匀土体，与实际情况不同，对软土地基与软夹层地基的研究较少；层间隔震结构在长周期地震动和SSI效应耦合下的研究报道更是少有。因此本文作者所在课题组在国家自然基金项目资助下开展了多个远场类谐和地震动下刚性、软土和软夹层地基上层间隔震结构振动台试验[10-12]，本文在此基础上对比分析远场类谐和地震动下三种不同地基上层间隔震结构的动力响应，为层间隔震结构技术研究应用提供具体试验依据与指导。

1 试验设计

1.1 模型相似关系与试验模型

参照课题组已有研究[10-12]，假定建筑所在区域场地类别为Ⅲ类，设防烈度为8度(0.2g)。图1(a)为平面布置示意图。试验重点研究这类结构单向(X向)的地震响应，参照文献[10-12]的简化原则对假定结构进行简化，图1(b)是简化后的结构平面。

图1 模型结构平面图

参照文献[10-12]相似比参数选取规则，综合考虑土体动力反应与隔震支座应力的相似，将加速度相似比、弹性模量相似比和长度相似比作为基本相似参数，模型结构其他物理量的相似比根据Bockingham π定理导出，时间相似比为0.288，线位移与长度相似比均为1/12。

图2是根据相似关系缩尺设计的简化结构示意图。具体试验模型制作参见文献[10-12]。

图2 层间隔震结构模型构造及尺寸示意

1.2 隔震支座

综合考虑国内相关试验成果选择直径70 mm的铅芯隔震支座(LRB70-5)。图3为隔震支座图，尺寸规格与力学性能参数见文献[10-12]。

图3 隔震支座

1.3 土箱制作与土体制备

参照陈国兴等[13]的研究成果，设计、制作的层状剪切型土箱平面尺寸为长3.2 m(X向)，宽2.0 m(Y向)，高1.4 m(Z向)，其外观如图4所示。陈启东等[14]通过试验证明该土箱可以有效消除边界效应。

试验通过将结构直接放置在振动台面模拟刚性地基条件；软土地基采用粉质黏土，土层高度取1.2 m；软弱夹层地基共分为三层，自上而下分别为松散砂土(0.3 m)、高含水量黏土(0.4 m)以及饱和密实砂土(0.5 m)，总厚度为1.2 m。两种地基均采用人工分层装填方式，采用电动冲击夯夯实，使其成为桩基持力层[10-12]。基础为群桩基础，设计尺寸及配筋参照文献[10-12]。

图4 试验土箱

1.4 模型组装与测点布置

图5给出了模型的整体组装。传感器的选择参照文献[10-12]，测点布置见图6。

图5 模型整体组装

图6 传感器测点布置图

1.5 地震动选择与试验工况

地震波从PEER数据库选取，选取三条普通地震动与三条远场类谐和地震动。选波规则参照文献[15]，表1为选取的地震动类别与名称。

表1 地震动类别与名称

试验顺序为刚性地基-层间隔震、刚性地基-抗震、软土地基-层间隔震、软土地基-抗震、软夹层地基-层间隔震、软夹层地基-抗震。设置试验的地震动峰值为0.2g、0.4g；设置普通地震动的地震动峰值为0.2g、0.4g峰值进行加载，试验加载顺序以地震动峰值加速度从小到大进行。不同加速度峰值下层间隔震与抗震两种结构动力响应规律相似，限于篇幅，本文均以加速度峰值0.2g下两种结构试验结果为例分析普通、远场类谐和地震动下刚性、软土和软夹层地基的动力响应规律，试验工况见表2。

2 试验结果及分析

2.1 试验宏观现象

刚性、软土和软夹层地基上的模型结构在试验中的宏观反应现象基本一致，即当振动台输入较小加速度峰值地震动时，结构的位移反应较小，随着加速度峰值的增大，结构的反应增强，隔震结构的最大层间位移主要集中于隔震层，符合隔震结构的地震反应现象。其中，远场类谐和地震动作用下结构的位移反应明显较普通地震动作用强烈；软土和软夹层地基上的结构均发生一定程度的沉降和倾斜，但软夹层地基上的结构沉降量和倾斜度较小，可推断随着地基土变软，沉降和倾斜程度增大。

2.2 土-结构模型动力特性

三种地基上模型结构的自振周期对比见表3。分析其结果知：(1) 层间隔震结构的自振周期较抗震结构大幅度延长，刚性地基上层间隔震结构自振周期试验值是抗震结构的2.64倍，软土地基上层间隔震结构自振周期试验值是抗震结构的1.93倍，软夹层地基上层间隔震结构自振周期试验值是抗震结构的1.98倍。说明考虑SSI效应后，隔震结构的自振周期延长倍数变低。(2) 软土和软夹层地基上的结构自振周期较刚性地基均有显著的延长，其中软土和软夹层地基上抗震结构的自振周期试验值分别延长1.49倍、1.37倍，软土和软夹层地基上隔震结构的自振周期试验值分别延长1.08倍、1.03倍，结果表明软土地基上抗震、隔震结构自振周期延长倍数较软夹层地基条件下略有增大。

表3 结构自振周期

2.3 土-结构地震响应

2.3.1 楼层加速度响应

普通、远场类谐和地震动下刚性、软土和软夹层地基的结构楼层加速度放大倍数对比如图7和图8。

图7 加速度放大系数(普通地震动)

图8 加速度放大系数(远场类谐和地震动)

(1) 在普通地震动作用下，软土地基上隔震结构的加速度放大系数分布规律与软夹层地基条件下相似，下部底盘加速度放大系数先增大后减小，上部塔楼加速度放大系数先减小后增大。(2) 远场类谐和地震动作用下，软土、软夹层地基上隔震结构上部塔楼的加速度响应规律与普通地震动条件下相似，但加速度放大系数远大于普通地震动，减震效果较差。(3) 加速度峰值相同时，普通地震动下隔震结构下部底盘的加速度响应较远场类谐和地震动条件下大；而塔楼的加速度响应规律则相反。

表2 试验工况(PGA=0.2g)

2.3.2 楼层位移响应

普通、远场类谐和地震动下刚性、软土和软夹层地基的结构楼层位移对比如图9、图10。

图9 楼层位移(普通地震动)

图10 楼层位移(远场类谐和地震动)

分析可知：(1) 隔震结构在软土、软夹层地基上楼层位移比刚性地基条件下增大显著，且软夹层地基上隔震结构楼层位移比软土地基大。分析可知，因土体非绝对刚性，在软弱地基上的桩基承台由于地震动的作用会发生转动与平动，进而使上部结构的整体水平位移由转动、平动与自身变形综合。

(2) 远场类谐和地震动下隔震结构的位移响应远大于普通地震动作用，且软夹层地基上隔震结构在远场类谐和地震动下的位移响应增大幅度较软土地基显著。其中0.2g远场类谐和地震动下软土地基上隔震结构的隔震层位移约为普通地震动下的1.87倍，0.2g远场类谐和地震动下软夹层地基上隔震结构的隔震层位移约为普通地震动下的2.86倍。

加速度峰值0.2g时的层间位移减震率和SSI效应放大系数见表4(注：减震率=(非隔震模型响应-隔震模型响应)/非隔震模型响应)。

表4 层间位移减震率对比 单位:%

由表4可知，考虑SSI效应后，普通地震动下软土、软夹层地基上隔震结构层间位移减震率相差不大，但远场类谐和地震动下软夹层地基上隔震结构上部塔楼层间位移减震率较软土地基下降显著。普通地震动下软夹层地基的塔楼减震率为57.49%～62.78%，软土地基条件下为53.14%～57.41%；而远场类谐和地震动下软夹层地基的塔楼减震率为43.04%～53.50%，软土地基条件下为36.47%～36.97%。对于下部底盘，在不同地震动下，均具有一定的减震效果，软土、软夹层地基考虑SSI效应后层间隔震结构下部结构位移减震效果类似。

2.3.3 基础转动效应

不同地基上层间隔震结构的基础转动角加速度存在明显差异：(1)刚性地基条件下层间隔震结构的基础转动角加速度峰值为0.0038 rad/s2～0.0102 rad/s2，对上部结构的影响基本可以忽略不计，软土地基条件下为0.618 rad/s2～2.048 rad/s2，软夹层地基条件下为0.583 rad/s2～1.403 rad/s2，软土、软夹层地基条件下层间隔震结构的基础转动角加速度较刚性地基条件下均增大显著，转动效应明显，且软土地基条件下层间隔震结构的基础转动角加速度是软夹层条件下的1.06倍～1.46倍。(2)当PGA为0.2g时，远场类谐和地震动下层间隔震结构基础的转动角加速度较普通地震动下增大效果并不显著，随着峰值增大，远场类谐和地震动对基础转动效应的影响较为明显，转动效应增强。

3 结 论

(1) 在SSI效应作用下，软土地基上非隔震、隔震结构的自振周期延长倍数较软夹层地基条件下略有增大。软土、软夹层地基上非隔震结构的自振周期试验值较刚性地基条件下分别延长1.49倍、1.37倍，软土、软夹层地基上隔震结构的自振周期试验值较刚性地基条件下分别延长1.08倍、1.03倍。

(2) 不同类型地震动下，软土、软夹层地基上隔震结构的加速度放大系数分布规律相似，且层间隔震结构的塔楼与底盘在考虑SSI效应后的加速度响应均存在一定差异。考虑SSI效应后层间隔震结构的上部塔楼加速度响应显著减小，但减震效果随加速度峰值增加而降低；普通地震动作用下，底盘的加速度响应较远场类谐和地震动条件下大，而塔楼的加速度响应规律则相反。

(3) 远场类谐和地震动下软夹层地基上隔震结构的位移响应增大幅度较软土地基显著。0.2g远场类谐和地震动下软土地基上隔震结构的隔震层位移约为普通地震动下的1.87倍，0.2g远场类谐和地震动下软夹层地基上隔震结构的隔震层位移约为普通地震动下的2.86倍。

(4) 软土层地基上层间隔震结构的基础转动角加速度略大于软夹层地基上的基础转动角加速度。软土地基条件上层间隔震结构的基础转动角加速度为0.618 rad/s2～2.048 rad/s2，软夹层地基上为0.583 rad/s2～1.403 rad/s2，软土地基上层间隔震结构的基础转动角加速度是软夹层条件下的1.06倍～1.46倍。

综上所述，长周期地震动作用下软土地基上层间隔震结构的自振周期、楼层峰值加速度和基础转角加速度与软夹层地基条件下相差不大，但软夹层地基条件上层间隔震结构的楼层位移较软土地基增大显著，减震效果较差。